УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ТРОЙНИКОВ

Полезная модель относится к области обработки металлов давлением, в частности, к устройствам для формообразования отводов на боковой поверхности трубы и может быть использовано для изготовления тонкостенных тройников из трубной заготовки.
Известно устройство для формообразования тройников с помощью давления жидкости, подаваемого во внутреннюю полость трубной заготовки (см. Изготовление сложных полых деталей. Под редакцией проф. Богоявленского К.Н. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1979 г., стр.55, рис.20.).
Недостаток устройства заключается в том, что для осуществления процесса формообразования детали, необходимо дорогостоящее специализированное оборудование для гидроштамповки, имеющее к тому же ограниченное применение.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, которое принято за прототип, является устройство по авторскому свидетельству СССР №1238824 «Устройство для формообразования полых изделий с отростками». Опубликовано в Бюл. №23, от 23.06.86 г.
Устройство состоит из двух полуматриц, имеющих плоскость разъема, составного формующего внутреннего пуансона, представляющего в сечении дополняющие друг друга до окружности сегменты, один из которых выполнен из металла, другой - из эластичного материала, а также двух осевых пуансонов. При сжатии эластичного элемента осевыми пуансонами создается внутреннее давление, с помощью которого и осуществляется формообразование отвода на боковой поверхности трубной заготовки.
Для осуществления данной схемы формоизменения заготовки устройство должно иметь два буфера - верхний и нижний. Усилиями этих буферов обеспечивается плотная стыковка по плоскости разъема полуматриц
в процессе формоизменения заготовки, а также обеспечивается перемещение осевых пуансонов навстречу друг другу с одинаковой скоростью относительно матрицы и деформируемой заготовки.
Недостаток устройства заключается в сложности устройства и его громоздкости. Наличие буферов увеличивает высоту устройства и требует применения более мощных прессов, имеющих большую закрытую высоту пресса.
Задачей заявляемой полезной модели является упрощение конструкции штампа и уменьшение его габаритов.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для формообразования тройников, состоящем из двух полуматриц, плоскость разъема которых перпендикулярна продольной оси полуматриц, внутреннего составного формующего пуансона, состоящего из жесткой вставки и деформируемого эластичного элемента, и двух осевых пуансонов, согласно заявляемой полезной модели, устройство снабжено нижним основанием, на котором полуматрицы расположены горизонтально. На этом основании выполнены уступы для предотвращения размыкания полуматриц в процессе рабочего хода. Осевые пуансоны на своих нерабочих обратных торцах имеют наклонные скосы. Верхняя половина устройства снабжена двумя клиньями, имеющими рабочую поверхность, состоящую из вертикальной и наклонной плоскостей, при этом угол наклона рабочей наклонной плоскости клиньев равен углу наклона скосов осевых пуансонов. Геометрия клиньев обеспечивает предварительную фиксацию верхней части полуматриц своей вертикальной рабочей плоскостью до начала процесса деформирования заготовки, причем угол наклона наклонной плоскости клиньев определяется из условия:
oтв
тр
α=arctg(H/(0,8-0,9)D);
отв
где Н - высота формуемого отвода на тройнике
тр
D - наружный диаметр исходной трубной заготовки.
Заявляемое устройство при рабочем ходе пресса, в результате наличия на клиньях вертикальной плоскости, позволяет удерживать матрицы от размыкания в процессе формообразования тройника из трубной заготовки. Наличие наклонной плоскости клиньев позволяет преобразовывать вертикальное перемещение верхней части устройства в горизонтальное перемещение осевых пуансонов, осуществляя их перемещение навстречу друг другу с одинаковой скоростью относительно полуматриц, с одновременным деформированием трубной заготовки и внутреннего эластичного элемента. Отпадает необходимость в нижнем и верхнем буферах, упрощается конструкция устройства, уменьшаются его габариты.
Устройство поясняется чертежом,
где на фигуре 1, справа от оси показано устройство в исходном положении, перед началом деформирования заготовки, а слева от оси симметрии - устройство в момент завершения процесса формообразования тройника.
Устройство состоит из полуматриц 1, поверхность разъема между которыми перпендикулярна их продольной оси. Внутри полуматриц, в их рабочей полости, расположены осевые пуансоны 2. На цилиндрической поверхности осевых пуансонов выполнены ступенчатые уступы, с помощью которых осуществляется осевое сжатие деформируемой заготовки. Составной пуансон, состоящий из жесткой оправки 3 и эластичного элемента 4, помещен в трубную заготовку 5, вместе с которой помещен в рабочую полость полуматриц 1. Полуматрицы 1 расположены горизонтально на нижнем основании устройства 6. На плоскости разъема полуматриц, в полости, предназначенной для формообразования отвода, установлен ограничитель 7, ограничивающий перемещение дна формуемого отвода. На нерабочих торцах осевых пуансонов 2 выполнены скосы. На верхней части устройства расположены два клина 8, рабочие наклонные плоскости которых параллельны наклонным плоскостям, выполненным на нерабочих торцах осевых пуансонов 2.
Устройство работает следующим образом.
Полуматрицы 1 устанавливаются в горизонтальном положении на нижнее основание устройства 6. Уступы, имеющиеся на нижнем основании 6, препятствуют раскрытию нижней части полуматриц, в процессе деформирования заготовки 5. В рабочую полость полуматриц 1 устанавливается трубная заготовка 5 с расположенными в ней жесткой внутренней оправкой 3 и эластичным элементом 4.
В рабочие полости полуматриц устанавливаются осевые пуансоны 2, располагая их таким образом, чтобы наклонные скосы нерабочих торцов пуансонов были параллельны наклонным плоскостям клиньев 8.
Рабочие торцы осевых пуансонов 2 имеют ступенчатую форму рабочей поверхности. Выступающая часть рабочей поверхности пуансонов осуществляет сжатие эластичного элемента 4, в то время как уступ пуансона фиксирует положение жесткой внутренней вставки 3.
При рабочем ходе верхней части устройства вниз, клинья 8 предварительно входят в окна нижнего основания 6, опираясь на них своей опорной поверхностью. Одновременно с этим вертикальная плоскость рабочей поверхности клина входит в контакт с верхней частью торцевой поверхности полуматриц 1, фиксируя верхнюю часть этих полуматриц от размыкания в процессе деформирования заготовки.
Практика показывает, что надежное фиксирование полуматриц от размыкания осуществляется в тот момент, когда вертикальная рабочая плоскость клиньев 8 зашла в зацепление с вертикальной плоскостью полуматриц на расстояние в 5-10% от величины наружного диаметра полуматриц. Нижний урез клиньев 8 должен войти в окна нижнего основания устройства примерно на такую же величину.
На протяжении всего рабочего хода верхняя часть полуматриц остается зафиксированной от размыкания с помощью вертикального участка рабочей поверхности клиньев 8.
Затем, при рабочем ходе вниз верхней части устройства, в результате надавливания клиньев 8 на наклонные скосы осевых пуансонов 2, начинается горизонтальное перемещение этих пуансонов навстречу друг другу. Осевые пуансоны 2 начинают сжимать эластичный элемент 4 с одновременным осевым сжатием заготовки 5.
Горизонтальное перемещение осевых пуансонов возможно, если угол наклона рабочей наклонной плоскости клина«α» и соприкасающейся с ней наклонной плоскости пуансона 2, связан с коэффициентом трения «f» на соприкасающихся поверхностях известным соотношением:
tgα≥f
где: f- коэффициент трения на поверхности контакта между наклонными поверхностями клиньев и осевых пуансонов.
Наиболее рациональная величина угла наклона рабочей поверхности клиньев находится в интервале от 15 до 25 градусов (см. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке - Л.: Машиностроение, 1971, стр.562, рис.503).
При значениях угла наклона менее 15° чрезмерно увеличивается величина рабочего хода устройства. При значениях угла более 25° возрастает величина усилия, которое необходимо прикладывать для осуществления процесса деформирования заготовки.
В результате горизонтального перемещения осевых пуансонов и сжатия эластичного элемента создается внутреннее давление эластичной среды, под действием которого и осуществляется формообразование отвода.
Изготовление отвода на боковой поверхности трубной заготовки в заявляемом устройстве осуществляется одновременно в результате действия двух процессов - формовки отвода за счет утонения и растяжения заготовки в очаге деформации и поступления в очаг деформации дополнительного объема металла в результате осевого сжатия заготовки. Для осевого сжатия заготовки 5 на цилиндрических поверхностях осевых пуансонов 2 выполнены ступенчатые уступы, которые заставляют заготовку
перемещаться в очаг деформации при горизонтальном перемещении пуансонов.
отв
Процесс деформации заготовки завершается в тот момент, когда дно формуемого отвода полностью упрется в ограничитель 7. Высота отвода при этом будет соответствовать требованиям чертежа Н.
Исходная трубная заготовка выполнена со скошенными торцами.
В результате этого осевое сжатие заготовки осуществляется неравномерно. Максимальное сжатие заготовки наблюдается со стороны формуемого отвода. Осевое сжатие убывает до нуля на противоположной образующей заготовки. Изменяя высоту скосов на торцах трубной заготовки и их протяженность, а также объем эластичного элемента 4, становится возможным регулировать процесс формообразования тройника с целью изготовления детали минимальной металлоемкости.
Жесткая оправка 3, которая входит в составной пуансон, играет двойную роль. Во-первых - она сохраняет форму заготовки в процессе формовки отвода и предотвращает искажение формы заготовки и ее потерю устойчивости с противоположной стороны от формуемого отвода.
Во-вторых - изменяя площадь поперечного сечения этой оправки становится возможным регулировать величину смещенного объема эластичного элемента, поступающего в очаг деформации при формообразовании отвода и регулировать утонение заготовки.
Наиболее рациональный вариант технологического процесса будет такой, при котором утонение в зоне формуемого отвода будет минимальным. В этом случае длина образующей заготовки со стороны формуемого отвода в процессе формоизменения заготовки практически не изменяется. Из этого предположения приближенно определяется требуемая величина рабочего хода осевых пуансонов 2:
раб
отв;
H=H
отв
-
где Н  высота формуемого отвода по чертежу готовой детали.
Процесс деформирования заготовки завершается в тот момент, когда формуемый отвод своим дном прилегает к ограничителю 7, расположенному в полости на поверхности разъема двух полуматриц 1.
Вертикальное перемещение клиньев, соответствующее такому рабочему перемещению пуансонов, определиться из геометрии:
кл
отв
H=H/tgα.
Практика показывает, что поскольку на поверхности разъема полуматриц, выше дна формуемого отвода, располагается ограничитель 7, наружный диаметр полуматриц должен быть равен:
нар
тр
D=(1,8-2)D.
тр
где: D.- диаметр исходной трубной заготовки, равный внутреннему диаметру рабочей полости полуматриц.
В процессе горизонтального перемещения осевых пуансонов 2 от действия клиньев 8 не должно быть перекосов, повышенных краевых давлений и повышенного износа. Поэтому длину опорной цилиндрической полуматриц, где перемещаются осевые пуансоны, целесообразно выбирать из условия:
цил
тр
L=(1,5-2)D;
Тогда длину полуматриц можно определить из следующего соотношения:
пм
дет
цил
L=L/2+L
дет
где: L - длина трубной части готового тройника по чертежу. Из треугольника АВС (см. фигура 1) можно определить минимальное значение угла наклона наклонной рабочей плоскости клина α.
Минимальное значение катета ВС равно рабочему ходу осевого
отв
тр
пуансона Н. Катет АС из геометрических построений равен (0,8-0,9)D.
Тогда минимальное значение угла α определится:
нар
тр
Зная угол наклона наклонной плоскости клина и величину, на которую он должен войти в рабочее окно нижнего основания - (5-10%)D или (10-20%)D, можно ориентировочно определить минимально необходимую толщину нижнего основания, при которой нижний урез клина не упрется в стол пресса:
осн
нар
тр
Н=D/2=D
Такую же толщину будет иметь и верхнее основание устройства. Зная высоту клина и рассматривая момент, когда он полностью
опустился в окно нижнего основания, можно ориентировочно определить
закрытую высоту устройства:
В качестве примера расчета, рассмотрим определение ориентировочных размеров устройства для изготовления равнопроходного тройника из хромоникелевой стали Х18Н10Т. Наружный диаметр трубной заготовки -53 мм, а ее толщина- 1,5 мм. Длина готового тройника - 160 мм, высота формуемого отвода на боковой поверхности трубы - 15 мм.
Угол наклона наклонной поверхности клиньев определится из выражения (1):
oтв
тр
α=arctg(H/(0,8-0,9)D)=arctg(l5/0.85×53)=18°.
Из выражения (2) получаем, что закрытая высота устройства ориентировочно равна 205 - 210 мм.
Закрытая высота устройства, принятого за прототип, для изготовления такого же тройника, равна 380 мм.