ДВУХПОЗИЦИОННЫЙ ШТАМП ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ШТАМПОВКИ

Полезная модель относится к обработке давлением и может быть использовано в кузнечно-штамповочном производстве при горячей изотермической штамповке изделий.
Известен штамп для изотермической штамповки поковок поршней из высококремнистых силуминов для двигателей внутреннего сгорания (Семенов Е.П. Технология и оборудование ковки и горячей штамповки. Учебник для средних профессиональных учебных заведений по специальности 1105 «Обработка металлов давлением» М.: Машиностроение, 1999, с.264, рис.223) - аналог.
Недостатками известной конструкции штампа являются.
1. Невозможность выполнения двух операций штамповки (заготовительной и окончательной) с одного нагрева заготовки за один или два хода пресса без переналадки.
2. Конструкция съемника не обеспечивает равномерный съем поковки с пуансона, в случае если на последней имеются элементы асимметрии. Эти элементы могут приводить к перекосу поковки при съеме, что приводит к снижению качества отштампованных изделий.
3. Для уменьшения тепловых потерь между столом пресса и нижней плитой штампа, а также между ползуном пресса и верхней плитой и, соответственно, предотвращения нагрева указанных элементов пресса, проложены теплоизолирующие асбоцементные плиты. Из-за упругой деформации асбоцементной плиты при штамповке жесткость конструкции штампа в целом уменьшается. Это в свою очередь приводит к снижению точности штампуемых изделий.
Известно устройство для изотермической штамповки снабженное двумя механизмами разъема штампов и штамподержателем, выполненным
в виде платформы с гнездами для двух штампов, расположенных один от другого на расстоянии величины шага перемещения платформы, установленной с возможностью прямолинейного возвратно-поступательного перемещения и последовательной установки каждого из штампов на позицию штамповки по оси стола и на две позиции подготовки к деформированию, расположенные симметрично относительно оси стола на расстояниях шага перемещения штампе держателя, при этом механизмы разъема штампов установлены на позициях подготовки к деформированию (авт. св. №1473888, МПК B 21 J 1/06, опубликовано БИ №15 за 1989 год) - прототип.
Такая конструкция устройства обеспечивает повышение производительности при штамповке при одновременном сокращении расходов энергии и габаритов устройства.
Указанное устройство имеет следующие недостатки:
- лишено системы выталкивания отштампованных изделий из рабочего инструмента, что, в свою очередь, делает невозможным выполнение в устройстве по авт. св. №1473888 таких операций объемной штамповки, как выдавливание (прямое, обратное, комбинированное и т.д.), редуцирование и др., т.е. операций требующих удаления изделий из рабочего инструмента после штамповки.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является повышение точности получаемых штамповкой изделий.
Указанный технический результат достигается за счет того, штампе для изотермической штамповки, содержащем верхнюю и нижнюю опорные плиты, связанные посредством направляющих колонок и втулок, рабочий инструмент первой и второй позиции, нагревательные элементы и выталкиватели, в верхней и нижней опорных плитах, направляющих колонках и втулках выполнены пазы и каналы для подачи охлаждающего состава.
Дополнительным техническим результатом является снижение энергозатрат при горячей изотермической штамповке и повышение универсальности конструкции устройств для горячей изотермической штамповки.
Снижение энергозатрат достигается за счет того, что штамп снабжен двумя позициями штамповки. Одновременное размещение в одном штамповом блоке рабочих инструментов для первой и второй позиции позволяет устранить промежуточный нагрев деформируемого материала между операциями, а, следовательно, и получить экономию электроэнергии.
Для повышения универсальности конструкции штамп снабжен раздельными системами выталкивания отштампованных изделий с первой и второй позиции.
В штампе выталкивание изделий с первой позиции может осуществляться за счет нанесения на детали рабочего инструмента профильных участков, определяющих взаимное перемещение этих деталей относительно изделия при выполнении рабочего хода.
Введение в конструкцию штампа раздельных индукционных нагревателей первой и второй позиций, подключаемых параллельно к источнику питания, позволяет, как повысить универсальность конструкции штампа, так и снизить энергозатраты при горячей изотермической штамповке. Повышение универсальности достигается за счет того, что при выходе из строя или отключении одного из индукционных нагревателей работоспособность системы нагрева штампа не теряется. Кроме этого, при параллельном подключении возможно значительное снижение потребления электроэнергии за счет использования трансформаторов с меньшим значением выходного напряжения.
Заявляемое решение иллюстрируется на фиг.1-9.
На фиг.1 представлен штамп, вид сверху;
На фиг.2- сечение А-А, фиг.1;
На фиг.3 - сечение Б-Б, отмеченное на фиг.1;
На фиг.4- конструкция рабочего инструмента 1-й позиции для выполнения операции редуцирования, прямого выдавливания, профильной осадки;
На фиг.5 - конструкция рабочего инструмента 2-й позиции для выполнения операции прямого, обратного или комбинированного выдавливания;
На фиг.6 - конструкция верхней опорной плиты;
На фиг.7 - конструкция нижней опорной плиты.
На фиг.8 - изделие с фланцем, полученное штамповкой в штампе предлагаемой конструкции.
На фиг.9 - изделие без фланца, полученное штамповкой в штампе предлагаемой конструкции.
Штамп рассчитан на выполнение деформирования заготовок на двух позициях и содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 опорные плиты с пуансоном 3 и матрицей 4 первой позиции и пуансоном 5 и матрицей 6 второй позиции, соответственно, нагревательные элементы 7, 8 и выталкиватель 9. Выталкиватель 9 второй позиции приводится в действие от гидроцилиндра пресса (на чертежах не показан).
Рабочим инструментом для первой позиции являются детали - пуансон 3, матрица 4, обойма 10, выталкиватель 11. Рабочим инструментом для второй позиции являются детали - пуансон 5, матрица 6, выталкиватель 9, съемник 12.
Выталкивание деформированной заготовки на первой позиции обусловлено наличием на матрице 4 и обойме 10 рабочего инструмента профильных участков, определяющих взаимное перемещение этих деталей относительно изделия при выполнении рабочего хода.
Для съема отштампованного изделия с пуансона на второй позиции, при обратном ходе траверсы пресса, используется съемник 12.
На первой позиции штампа съемника нет, т.к.. здесь предусматривается выполнение таких операций как, например, осадка, редуцирование,
прямое выдавливание при которых заготовка гарантированно остается в матрице.
На верхней 1 и нижней 2 опорной плите штампа, с помощью пуансо-нодержателей 13 и 14 и матрицедержателей 15 и 16, установлен рабочий инструмент первой и второй позиций, верхние 17, 18, 19 и 20 и нижние 21, 22, 23, 24 подкладные плиты и нагревательные элементы 7 и 8.
Для предотвращения нагрева ползуна (траверсы) и стола пресса нижняя 1 и верхняя 2 опорные плиты охлаждаются. В плитах предусмотрены пазы 25 и 26 для укладки змеевиков 27 и 28, которые могут быть выполнены, например, из медной (сплав M1, M2) или алюминиевой (сплав Д16) трубки прямоугольного сечения, и каналы 29 и 30.
Расположение пазов 25 и 26 определяется местом установки рабочего инструмента второй позиции. Каналы 29 и 30 расположены по краям опорных плит 1 и 2 и позволяют предотвратить передачу тепла от направляющих колонок, втулок и деталей рабочего инструмента первой позиции к ползуну (траверсе) и столу пресса.
Пазы 25 и 26 соединены с каналами 29 и 30 для каждой из плит, например, посредством гибких шлангов 31 и 32 в замкнутые контуры охлаждения, соответственно верхней и нижней опорной плиты. Присоединение шлангов 31 и 32 к каналам 29 и 30, соответственно, осуществляется с помощью штуцеров 33 и 34.
Совместно с охлаждением опорных плит в конструкции штампа предусмотрено охлаждение таких элементов, как направляющие колонки 35 и втулки 36, которые связывают верхнюю и нижнюю опорные плиты штампа. В этих деталях предусмотрены пазы 37 и 38 соответственно, через которые также подается охлаждающая жидкость. Подача охлаждающей воды в эти пазы осуществляется по гибким шлангам 39 и 40, прикрепленным к ним с помощью штуцеров 41 и 42.
Одновременное охлаждение колонок 35 и втулок 36 позволяет скомпенсировать температурное расширение материала этих деталей, которое
наблюдается при работе штампа в условиях горячего изотермического деформирования.
В качестве охлаждающей жидкости, например, может быть использована вода. Охлаждающая жидкость подается в систему охлаждения штампа под давлением. Установлено, что для оптимальной работы давление в системе охлаждения штампа не должно превышать 0.4-0.5 МПа (4-5 атм). В противном случае, снижается КПД индукционных нагревателей.
Замена асбоцементных плит, обычно устанавливаемых между опорной плитой и ползуном (траверсой) или столом пресса, выполнением опорных плит, колонок и втулок с возможностью охлаждения обусловлено следующим.
При выполнении рабочего хода асбоцементные плиты являются источниками дополнительной упругой деформации конструкции штампа в целом. Увеличение величины упругой деформации штампа оказывает существенное влияние на размеры получаемых штамповкой изделий, а именно снижает точность штамповки. Размеры получаемых изделий, в этом случае, могут выходить из полей допусков, установленных для них. Отклонение одного или нескольких размеров изделий в большую сторону от максимально допустимого приводит к снижению точности штамповки и, в некоторых случаях, получению брака. Кроме того, как показала практика штамповки в изотермических условиях, асбоцементные плиты являются плохим изолирующим материалом из-за высокой теплопроводности.
Применение охлаждения опорных плит 1 и 2, например, водяного, в сочетании с охлаждением колонок 35 и втулок 36 позволяет устранить недостатки применения асбоцементных плит.
Для съема отштампованных изделий с пуансона второй позиции предусмотрен съемник 12 со сменной вставкой, входящей в состав рабочего инструмента 2-й позиции, соединенный с верхней опорной плитой 2 шпильками (не показаны), парой рычагов 43 и кулачков 44.
Штамп работает следующим образом.
Нагретая до температуры штамповки заготовка устанавливается в матрицу 4 первой позиции. При ходе траверсы пресса вниз осуществляется деформирование установленной заготовки пуансоном 3. Деформирование продолжается до момента касания пуансонодержателем 13 матрицы 4 по плоскости «I». После этого траверса пресса поднимается в исходное положение, и матрица поворачивается с помощью рукоятки 45 до упора.
При повторном опускании траверсы пуансонодержатель 13 соприкасается с матрицей 3 по плоскости «II». При этом деформирования материала не происходит, что обусловлено образовавшимся между пуансоном и деформированным металлом зазором. Величина зазора определяется высотой Н профильного участка на торце пуансонодержателя 13. По мере опускания верхней плиты 1 вся технологическая нагрузка передается через пуансонодержатель на матрицу. Под действием этой нагрузки матрица смещается вниз. Выталкиватель 11 перемещается вместе с матрицей 4 вниз до тех пор, пока не коснется донной части обоймы 10. Как только выталкиватель касается донной части обоймы, он останавливается, а матрица продолжает опускаться дальше вниз под действием прикладываемой нагрузки. Под действием этой нагрузки матрица 4 скользит по неподвижной заготовке, которая покоится на остановившемся выталкивателе 11. За счет такого движения инструментов осуществляется извлечение отштампованного изделия из матрицы.
При ходе траверсы вверх вытолкнутую заготовку перекладывают в матрицу 6. При ходе траверсы пресса вниз осуществляется деформирование заготовки до конечных размеров. Избыток материала выдавливается в зазор между матрицей и пуансоном 5 или съемником 12. Необходимость использования съемника 12 определяется конфигурацией изделия, которое необходимо получить на второй позиции.
Съем изделия с пуансона производится при ходе траверсы пресса вверх. По мере подъема последней вверх плита съемника 46 входит в контакт с рычагами 43, которые препятствуют дальнейшему ее перемещению.
Это приводит к соскальзыванию изделия с пуансона. Дальнейшее перемещение траверсы пресса вверх приводит к тому, что кулачки 44 разводят рычаги 43, тем самым, освобождая плиту съемника 46, которая начинает подниматься вверх. В крайнем верхнем положении плита съемника 46 свободно висит на шпильках (не показаны). После возврата траверсы пресса в крайнее верхнее положение, включают привод выталкивателя второй позиции и извлекают изделие из матрицы 6.
Выталкиватель на первой позиции используется при выполнении операций редуцирование, выдавливание, профильная осадка и пр. В случае выполнения на первой позиции осадки плоским инструментом или инструментом с неглубокими полостями механизм выталкивания не используется и может быть удален из конструкции.
Система нагрева штампа может состоять из двух параллельно подключенных к источнику питания нагревательных элементов индукционного типа 7 и 8. Нагревательные элементы выполнены из медной (сплав M1, М2) или алюминиевой (сплав АД1, Д16) трубки квадратного (прямоугольного, круглого или треугольного) сечения. Через центральную полость каждого нагревательного элемента под давлением пропускается охлаждающая жидкость, с целью предотвращения перегрева элементов. Охлаждающая жидкость подается в нагревательные элементы под таким же давлением, как и в систему охлаждения штампа, т.е. не более 0.4-0.5 МПа (4-5 атм). Выбор марки сплава для нагревательного элемента обусловлен величиной удельного сопротивления материала. Чем меньше электрическое сопротивление материала, тем больший по величине ток может быть пропущен чем проводник в единицу времени и при одном и том же значении напряжения.
С другой стороны, чем больший по величине проходит ток по проводнику, в данном случае им является нагревательный элемент, тем большая мощность выделяется. Следовательно, тем быстрее и с меньшими электрическими потерями будет достигнута требуемая температура нагрева
инструмента. При выборе материала для нагревательного элемента предпочтение следует отдавать материалам с наименьшим сопротивлением электрическому току. Наилучшим образом этому условию соответствуют медные сплавы M1, M2 и др.
В случае подключения индукторов по схеме последовательного соединения с источником питания исключается универсальность конструкции предлагаемого штампа, т.к., при выходе из строя одного из нагревателей теряется работоспособность системы нагрева в целом. Кроме этого, при последовательном соединении индукторов выходное напряжение трансформатора превышает 36В. Это влечет за собой введения дополнительных средств защиты работающих с индукционной установкой в кузнечном цехе.
Если при осуществлении конкретного технологического процесса штамповки первая позиция оказывается незадействованной, то при параллельном соединении возможно подключение к источнику питания только одного индуктора, обеспечивающего нагрев инструмента второй позиции.
Нагревательные элементы, обеспечивающие нагрев инструмента, как первой, так и второй позиции, позволяют нагреть инструмент до температуры не более 500°С. Контроль температуры нагрева инструмента осуществляется с помощью термопары 47. Некоторые характеристики системы нагрева приведены в табл.1.
Таблица 1Основные характеристики системы нагрева
Параметр
Значение
Ток, проходящий через 1-й индуктор, А
2244
Ток, проходящий через 2-й индуктор, А
1266
Выходное напряжение трансформатора, В
17.19
Средняя мощность, потребляемая из сети при нагреве установки, кВт
21.5
Установочная мощность трансформатора, кВА
65
Мощность, потребляемая из сети при установившемся режиме, кВт
13.45
Реактивная мощность конденсаторной батареи, кВА
61.3
Основные характеристики определены исходя из следующих исходных данных: время нагрева - 30 мин; температура нагрева штампа - 430°С.
Примеры использования двухпозиционного штампа предлагаемой конструкции.
Пример 1: штамповка изделий с использованием операции комбинированное выдавливание (фиг.8).
Для получения изделия, представленного на фиг.8, исходную цилиндрическую заготовку из алюминиевого сплава АМг6 (по ГОСТ 21488-97, ОСТ 1.90073-85) нагревали в электропечи до температуре 450°С. После нагрева заготовку переносили в штамп нагретый до температуры 430°С. При переносе заготовки в штамп температура последней уменьшается в среднем на 20°С. Таким образом, температура заготовки в начале штамповки составляет 430°С.
Штамповку изделия осуществляли на гидравлическом прессе в штампе предлагаемой конструкции. Для формоизменения исходной заготовки использовали только вторую позицию штамповки, т.е. штамповку выполняли за один ход рабочего инструмента. Заполнение полости матрицы осуществлялось за счет выдавливания металла под действием пуансона в нескольких направлениях: 1) прямом - вдоль оси заготовки в направлении перемещения пуансона; 2) обратном - вдоль оси заготовки в направлении противоположном перемещению пуансона; 3) радиальном - при заполнении фланца. Таким образом, схема течения металла при штамповке соответствует комбинированному выдавливанию.
Номинальное усилие выбранного для штамповки пресса составляло 2,5 МН; скорость деформирования на рабочем ходе - 0,002 м/с. Температуру нагрева инструмента при штамповке поддерживали постоянной и равной 430°С.
Температура охлаждающей жидкости (вода) - 20°С. Охлаждающая жидкость подавалась по змеевикам 27 и 28, каналам 29 и 30, пазам 37 в направляющих колонках и нагревательному элементу 8 под давлением 0.3 МПа (3 атм.). Змеевики изготавливались, также как и нагревательный элемент из трубы. Материал трубы - медный сплав М2.
Размеры пазов 37, каналов 29 и 30, змеевиков 27, 28 в опорных плитах 1 и 2 и нагревательного элемента 8 следующие:
1) ширина паза 37-8 мм, его длина - 8 мм и глубина - 5 мм;
2) диаметр каналов 29 или 30-14.5 мм;
3) поперечное сечение каждого из змеевиков - 16×16 мм, толщина стенки - 2 мм;
4) поперечное сечение нагревательного элемента - 16×16 мм, толщина стенки - 3 мм.
При работе на штампе нагревательный элемент 7 был отключен, т.к., штамповка выполнялась только на второй позиции. Кроме этого при выполнении штамповки охлаждения втулок 36 не производилось, т.е. штуцеры 41 были заглушены.
Результаты опытной штамповки изделия в соответствии с фиг.8, показывают, что точность размеров изделия повышается на 20% по сравнению с изделиями, получаемыми в устройствах, описанных в аналоге и прототипе. Кроме этого возможно получение изделий с минимальными припусками величиной до 0.8 мм.
Пример 2: штамповка изделий с использованием операций редуцирование и комбинированное выдавливание (фиг.9).
Штамповку изделия, представленного на фиг.9, осуществляли из цилиндрической заготовки на гидравлическом прессе в штампе предлагаемой конструкции. Материал изделия - алюминиевый сплав АК 4-1 (по ГОСТ 21488-97, ОСТ 1.90073-85).
Учитывая сложную конфигурацию изделия, штамповка выполнялась на двух позициях описанных выше. На первой позиции выполняли операция редуцирование; на второй позиции - комбинированное выдавливание.
Оптимальные условия штамповки были выбраны следующие. Нагрев заготовки проводили в электропечи до температуре 470°С. После нагрева заготовку переносили в штамп нагретый до температуры 450°С. При переносе заготовки в штамп температура последней уменьшается в среднем на 20°С. Таким образом, температура заготовки в начале штамповки составляла 450°С.
Номинальное усилие выбранного для штамповки пресса составляло 2,5 МН; скорость деформирования на рабочем ходе - 0,002 м/с. Температуру нагрева инструмент при штамповке поддерживали постоянной. Контроль температуры осуществляли с помощью хромель-копелевой термопары.
Температура охлаждающей жидкости (вода) - 20°С. Охлаждающая жидкость подавалась по змеевикам 27 и 28, каналам 29 и 30, пазам 37 в направляющих колонках, пазам 38 во втулках и нагревательным элементам 7 и 8 под давлением 0.3 МПа (3 атм.). Змеевики изготавливались, также как и нагревательные элементы из трубы. Материал трубы - медный сплав М2.
Размеры пазов 37 и 38, каналов 29 и 30, змеевиков 27 и 28 в опорных плитах 1 и 2 и нагревательных элементов 8 следующие:
1) ширина паза 37 или 38-8 мм, его длина - 8 мм и глубина - 5 мм;
2) диаметр канала 29 или 30-14.5 мм;
3) поперечное сечение каждого из змеевиков - 16×16 мм, толщина стенки - 2 мм;
4) поперечное сечение нагревательного элемента 7 - 10×10 мм, толщина стенки - 2 мм;
5) поперечное сечение нагревательного элемента 8 - 16×16 мм, толщина стенки - 3 мм.
Результаты опытной штамповки изделия в соответствии с фиг.9, показывают, что точность размеров изделия повышается на 30% по сравнению с изделиями, получаемыми в устройствах, описанных в аналоге и прототипе. Полученное изделие имеет меньшие припуски на последующую механическую обработку по сравнению с аналогичным изделием, полученным в устройствах, описанных в аналоге и прототипе. За счет этого форма изделия максимально приближена к форме детали после механической обработки.