Штамп для открытой объемной штамповки с расширяющимся облойным мостиком
DIE FOR OPEN DIE-FORGING WITH AN EXPANDING FLASH BRIDGE

Изобретение относится к обработке металлов давлением, и может быть использовано во всех отраслях машиностроения при изготовлении штампов для открытой объемной штамповки осесимметричных поковок с полостью и внутренней перемычкой, штампуемых в торец, например, шестерен и фланцев.
Известен способ изготовления штампованных поковок (Патент 2275271, кл. B21J 5/02, B21K 1/28, B21K 21/02, 2004), включающий резку и нагрев исходной заготовки, предварительное профилирование, окончательную штамповку в открытом штампе, имеющем верхнюю и нижнюю половины, с вытеснением избытка металла в зазор между указанными верхней и нижней половинами, расположенный в области поковки, формируемой в последнюю очередь, а размеры контактирующих с металлом поверхностей гравюр указанных половин не превышают соответствующих размеров поковки для исключения деформирования вытесненного избытка метала (Фиг. 1а).
Способ применим для поковок, при штамповке которых окончательный ручей заполняется полностью до начала вытеснения лишнего объема металла в зазор между половинами штампа. Такое не всегда возможно. В случае более сложной поковки, для полного заполнения окончательного ручья штампа подпор со стороны облойного мостика необходим хотя и меньший, чем в традиционном способе открытой объемной штамповки поковок (Семенов Е.И. и др. Ковка и штамповка, справочник, т. 2. Горячая штамповка / Е.И. Семенов и др. // М.: Машиностроение. - 1986. С. 183-184), с объемом облоя необходимым для формирования трудно заполняемых частей поковки за счет подпора (запирающего действия) металла в облойном мостике (Фиг 16).
о
Известна статья (Борисевич В.В. Выбор рациональных параметров мостика облойной канавки при моделировании открытой штамповки [Текст] / В.В., Борисевич, З.Б. Мохсен / Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии №71, 2016. С. 136-144), авторы утверждают, что профиль образующегося облоя может быть получен путем рассмотрения уравнения расхода металла через цилиндрическую поверхность радиуса R (Фиг. 2). Если профиль щели облойной канавки выполнить по полученному уравнению
н
то облой при смыкании штампов до принятого в уравнении значения начального зазора h на пороге мостика отслаивается от поверхности порога мостика и перестает деформироваться инструментом. При дальнейшем уменьшении начальной высоты щели происходит свободное вытекание металла за пределы гравюры штампа.
Данное техническое предложение приемлемо только для осесимметричных поковок без полости, штампуемых в торец с двухсторонним расширением облойного мостика. Не установлены значения параметров расширяющегося облойного мостика и границы их изменения для практического использования. Требуется расширение области применения данного технического предложения для других типов поковок и облойных канавок.
Поставлена задача разработать открытый штамп с расширяющимся облойным мостиком, позволяющий получать осесимметричные поковки с полостью и внутренней перемычкой, штампуемые в торец, например, шестерни и фланцы со ступицей, установить значения параметров расширяющегося облойного мостика и границы их изменения, расширить область применения, сохраняя преимущества бесподпорной и традиционной штамповки, снизить расход металла и силу штамповки, повысить стойкость штамповой оснастки.
дш
ом
нм
3
дш
об
Технический результат в штампе для открытой объемной штамповки осесимметричных поковок с полостью и внутренней перемычкой, штампуемых в торец, содержащий верхнюю и нижнюю половины, выполненные с гравюрами, образующими заготовительные и окончательный ручьи, при этом окончательный ручей выполнен с облойной канавкой для вытеснения избытка металла в окончательном ручье, имеющей магазин и расширяющийся облойный мостик, выполненной с разъемом в месте ручья, заполняемом в последнюю очередь, достигается тем, что расширяющийся облойный мостик выполнен с односторонним расширением, имеющим профиль криволинейной формы, которая определена с учетом равенства объема металла, вытесняемого из ручья в облой на последней стадии доштамповки (V), и объема облойного мостика (V) при начальной высоте облойного мостика h, равной толщине облоя h, принятой с учетом усилия пресса (Семенов Е.И. и др. Ковка и штамповка, справочник, т. 2. Горячая штамповка / Е.И. Семенов и др. // М.: Машиностроение. - 1986. С. 183-184), при (V) не больше половины объема облоя (V), и описана следующим уравнением:
o
где R - радиус поковки,
p
R - радиус границы раздела потоков металла, вытесняемого из ручья в облойный мостик и во внутреннюю перемычку,
дш
нм
км
h - разность между начальной высотой облойного мостика h и конечной высотой облойного мостика h,
При этом х не превышает ширину облойного мостика.
p
При штамповке поковок с фланцем радиус границы раздела потоков металла, вытесняемого из окончательного ручья в облойный мостик и во внутреннюю перемычку R, равен внутреннему радиусу фланца по торцу.
p
При штамповке поковок цилиндрических шестерен со ступицей, венцом и полотном, радиус границы раздела потоков металла, вытесняемого из окончательного ручья в облойный мостик и во внутреннюю перемычку R, равен внутреннему радиусу до середины полотна шестерни.
p
При штамповке поковок конических шестерен со ступицей, венцом и полотном, радиус границы раздела потоков металла, вытесняемого из окончательного ручья в облойный мостик и во внутреннюю перемычку R, равен внутреннему радиусу до середины полотна шестерни со стороны венца шестерни.
дш
нм
3
дш
об
дш
Если профиль облойного мостика выполнен по уравнениям (1) (Фиг. 3а), то при вытеснении объема металла из ручья штампа в процессе доштамповки V в окончательном ручье штампа при h=h и V не больше половины V происходит отлипание металла от поверхности облойного мостика, давление в облойном мостике снизится до нуля и подпора не будет. Ограничение V связано с соблюдением ширины облойного мостика b принятой с учетом усилия пресса (Семенов Е.И. и др. Ковка и штамповка, справочник, т. 2. Горячая штамповка / Е.И. Семенов и др. // М.: Машиностроение. - 1986. С. 183-184).
При отсутствии технической возможности изготовления криволинейного профиля облойного мостика, последний легко преобразуется в прямолинейный профиль, при этом отлипание облоя от облоного мостика будет происходить несколько ранее, что незначительно скажется на изменение результата, (Фиг. 3б). При этом угол расширения α рассчитывают по следующему уравнению:
дш
h находят подстановкой в уравнение (1) вместо х принятого значения ширины облойного мостика b с учетом усилия пресса.
Отлипание облоя может произойти сверху, снизу или сверху и снизу одновременно, что позволяет снизить контактные напряжения и силу штамповки, так как на стадии доштамповки вытесненный металл не имеет деформационного контакта с инструментом, пластически не деформируется и не создает подпора. Реализуется штамповка без подпора со стороны облоя. На предыдущей же стадии вытеснения металла из ручья штампа в облойную канавку, отлипания облоя не произойдет, и облойный мостик будет выполнять функцию подпора, обеспечивая качественное заполнение ручья штампа. Очевидно, что подпор металла в расширяющемся облойном мостике в начале его вытеснения будет расти, ближе к середине достигнет максимального значения, а к концу уменьшится до нуля.
Преимущество такого подхода в том, что становится возможным снизить массу облоя, отодвинув начало вытеснения металла в облойную канавку на более позднюю стадию штамповки, сохранить необходимый подпор для качественного заполнения ручья штампа для более сложных поковок, чем при бесподпорной штамповке, уменьшить силу на последней стадии штамповки за счет снижения давления в ручье штампа и отсутствия давления на облойном мостике штампа.
3
3
Снижение силы штамповки поковки в окончательном ручье штампа позволит уменьшить толщину облоя h. При штамповке конических шестерен с оформлением спирального зубчатого венца на Камском автомобильном заводе [Патент 1731399 кл. B21K 1/30 Б.И. №17, 1992) столкнулись с проблемой стойкости круговых протяжек на агрегатном заводе из-за перемычки между зубьями. Уменьшение толщины облоя (перемычки) повысит стойкость круговых протяжек, так как перемычка полностью срежется на предыдущей операции снятия припуска с торцевой поверхности зубчатого венца. При уменьшении толщины облоя h произойдет увеличение давления в ручье штампа не за счет деформации облоя, а роста напряженно деформированного состояния (НДС) в зоне, примыкающей к облойному мостику, при этом обеспечится качественное заполнение ручья штампа без увеличения массы облоя и увеличится стойкость зубчатого профиля штампа.
Снижение контактных напряжений на поверхности гравюры уменьшает теплообмен между заготовкой и штампом, что также благоприятно влияет на стойкость инструмента.
Такой подход обладает преимуществами традиционной и бесподпорной штамповки.
Необходимо отметить, что в случае сложной поковки, при продолжающемся заполнении ручья штампа на последней стадии доштамповки, отлипания металла в облойном мостике не произойдет и реализуется подпорная штамповка, то есть присутствует элемент саморегулирования подпора.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый штамп для открытой объемной штамповки с расширяющимся облойным мостиком отличается от прототипа.
В прототипе отсутствуют.
В предлагаемом штампе для осесимметричных поковок с внутренней полостью и перемычкой, штампуемых в торец, при одностороннем криволинейном расширении облойного мостика, профиль расширяющегося облойного мостика описан следующим уравнением:
p
p
p
p
где R - радиус границы раздела потоков металла, вытесняемого из ручья в облойный мостик и во внутреннюю перемычку, при штамповке поковок с фланцем радиус границы раздела потоков металла, вытесняемого из окончательного ручья в облойный мостик и во внутреннюю перемычку R, равен внутреннему радиусу фланца по торцу. При штамповке цилиндрических шестерен со ступицей, венцом и полотном радиус границы раздела потоков металла, вытесняемого из окончательного ручья в облойный мостик и во внутреннюю перемычку R, равен радиусу до середины полотна шестерни. При штамповке конических шестерен со ступицей, венцом и полотном, радиус границы раздела потоков металла, вытесняемого из окончательного ручья в облойный мостик и во внутреннюю перемычку R, равен радиусу до середины полотна шестерни со стороны зубчатого венца.
Таким образом, данное техническое решение соответствует критерию "новизна".
Анализ авторских свидетельств, патентов и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков предлагаемого изобретения по их функциональному назначению. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
На фиг. 1 - представлена схема штампов: а - бесподпорная; б - традиционная с облойной канавкой I типа.
На фиг. 2 - представлена схема отслоения облоя, боковой вид.
На фиг. 3 - представлена схемы штампа с односторонним расширяющимся облойным мостиком: а - криволинейным; б - прямолинейным.
На фиг. 4 - представлена схема штамповки поковок цилиндрической шестерни коробки передач.
На фиг. 5 - представлена схема штамповки полых фланцевых поковок со средним фланцем.
На фиг. 6 - представлена схема штамповки полых фланцевых поковок с малым фланцем.
Штамп для открытой объемной штамповки поковок с расширяющимся облойным мостиком реализуется следующим образом.
Расположение облойного мостика между верхней и нижней половинами штампа в области ручья штампа, формируемой в последнюю очередь, позволяет сэкономить металл. При расположении большей части поковки в верхней половине штампа, формируют в последнюю очередь область поковки в зоне перехода донной поверхности в боковую. В этой же области располагают облойный мостик. При расположении большей части поковки в нижней половине штампа формируют в последнюю очередь область поковки в зоне перехода верхней торцевой поверхности в боковую. В этой же области располагают разъем между половинами штампа. В отдельных случаях, например, если образующая боковой поверхности поковки представляет ломаную линию с максимальным диаметром в зоне боковой поверхности, то разъем штампа располагают в зоне максимального диаметра боковой поверхности ручья, например, для поковок конических шестерен. Если поковка имеет полость, то возможно при окончательной штамповке вытеснять избыток металла в облой и перемычку.
В работе [Михайлов В.Н. Открытая объемная штамповка поковок типа шестерен и фланцев с регламентируемым подпором в облойном мостике [Текст] / В.Н. Михайлов, И.М. Володин // Известия ТулГУ. Серия. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2019. 3. С. 301-305] отмечено, что для круглых в плане поковок с внутренней полостью, штампуемых с предварительным ручьем, существует граница разделов потоков металла вытесняемого из ручья штампа в перемычку и облой (Фиг. 4, Фиг. 5)
Положение границы в данном случае зависит от многих факторов: размеров осаженной заготовки; конфигурации предварительного и окончательного ручья; облойной канавки штампа; коэффициента трения; скоростного режима; упрочнения металла при штамповке; температуры металла и штампа; напряженно-деформированного состояния поковки и т.д. Учесть влияние всех факторов с достаточной степенью точности позволяют системы конечно-элементного анализа в виде пакетов прикладных программ (ППП), предлагаемые многими фирмами, в частности, американскими SFTS (программа DEFORM) и MSC (программа MSC/Superforqe), французскими TRANVALOR (программа FORGE) и др. Известны и широко используются отечественные программы «РАПИД» и «QForm», вычислительный комплекс SPLEN-S и др.
Система правил проектирования переходов штамповки, приведенная в работе [Михайлов В.Н. Открытая объемная штамповка поковок с регламентируемым подпором [Текст] / В.Н. Михайлов, И.М. Володин // Известия ТулГУ. Серия. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 12. С. 250-256] включает методику расчетов и проектирования переходов и ручьев штампа. Эта задача, из-за большого количества конфигураций поковок, практически невыполнима, но становится возможной, если сузить задачу до отдельных групп поковок.
Известен пример внедренной в производство на ПАО «КАМАЗ» технологии бесподпорной штамповки цилиндрических шестерен (Патент 2275272, кл. В21К 1/28, B21J 5/02, 2005) (Фиг. 4).
Правила проектирования переходов бесподпорной штамповки шестерен в указанном патенте и по предлагаемому техническому решению одинаковы с той разницей, что в случае штамповки шестерен, с увеличенным по высоте зубчатым венцом, при бесподпорной штамповке возможно не заполнение углов ручья венца шестерни. В этом случае применяют штамп с расширяющимся облойным мостиком (с регламентируемым подпором).
Методика проектирования штамповки поковок типа шестерен с регламентируемым подпором предлагается следующая:
- определение размеров осаженной заготовки;
- определение границы раздела объемов металла необходимых для заполнения венца и ступицы шестерни в окончательном ручье штампа;
- расчет расширения наружной облойной канавки;
- определение конфигурации окончательного штампа в месте вытеснения лишнего объема металла из ступицы шестерни в перемычку.
oc
Диаметр осаженной заготовки D определяют по наружному диаметру предварительного ручья штампа, рассчитываемого, в свою очередь, по окончательному ручью с учетом зазора под укладку. Для получения большей точности диаметра осаженной заготовки по боковой поверхности осаженной заготовки, применено правило регламентированной боковой поверхности (РБ) в плавающем кольце.
в
ст
в
ст
ст
в
P
ст
в
При равном объеме венца до середины полотна V и объеме ступицы до середины полотна V (V=V), объем осаженной заготовки из зоны полотна в предварительном и окончательном ручье штампа вытесняется в венец и ступицу в равных долях по границе раздела в середине полотна. При V>V объем осаженной заготовки из зоны полотна в предварительном ручье перераспределяется в ступицу шестерни как показано на фиг. 4, а в окончательном ручье по границе раздела в середине полотна шестерни R. Соответственно, при V<V, объем осаженной заготовки из зоны полотна шестерни в предварительном ручье штампа перераспределяется в венец шестерни. Конфигурацию предварительного ручья штампа и перераспределяемые объемы рекомендуется определять моделированием.
При определении конфигурации окончательного ручья штампа, в месте вытеснения лишнего объема металла из ступицы шестерни в перемычку, применяют конструкцию, впервые предложенную в работе (Авторское свидетельство на изобретение СССР 1671394, Б.И. №31, 1991 г.), и реализованную в бесподпорной штамповке цилиндрических шестерен (Фиг. 4). Преимущество в том, что часть объема традиционной перемычки, сформированной окончательно выдавливанием в предварительном ручье с использованием правила поэлементной штамповки (ПШ), идет на заполнение углов нижней части ступицы и компенсацию износа ручья штампа. Оставшийся лишний объем вытесняется в бесподпорную или с регламентируемым подпором облойную канавку, определяемую моделированием, под углом 45 градусов, не деформируя среднюю часть перемычки, что способствует снижению давления в ступичной части ручья штампа, снижению силы штамповки и уменьшению штамповочных уклонов, как показала практика, до 1 градуса на внутренней и до 30 минут на наружной части ступицы.
На фиг. 5 и фиг. 6 приведены схемы процесса традиционной штамповки полой поковки со средним (Патент 155460, кл. В21К 21/00, 1993) и малым по величине фланцем (Патент 2217262, кл. В21К 23/04, В21К 21/08, 2002) внедренных в производстве на ПАО «КАМАЗ». Методика проектирования штамповки полых поковок со средним и малым фланцем отличается от штамповки шестерен на этапах:
- определения размера осаженной заготовки;
- определения границы раздела;
определения конфигурации окончательного ручья штампа в месте вытеснения лишнего объема металла из цилиндрической части фланца в перемычку.
При проектировании высадки, диаметр заготовки определяют по наибольшему диаметру втулки окончательного ручья штампа с учетом укладки (Фиг. 5).
p
Как видно из фиг. 5, разъем выполнен в месте ручья штампа, заполняемого в последнюю очередь. Применение регламентируемого подпора при увеличении высоты фланца и гарантированного заполнения углов в окончательном ручье штампа, а также для снижения силы штамповки и уменьшения штамповочных уклонов в данном случае актуально. Весь лишний объем металла в предварительном ручье штампа выдавливанием вытесняют во фланцевую часть со свободной поверхностью. Поэтому границей раздела объемов металла необходимых для заполнения фланцевой части поковки является внутренний радиус торцевой поверхности фланца в окончательном ручье штампа R.
в
вт
Высоту высаживаемой части заготовки Н предлагается находить по объему втулочной части V по формуле:
вт
где, V - объем втулочной части по всей высоте поковки, включая перемычку,
выс
V - объем выступа (объем не деформированной части заготовки после высадки),
вт
R - радиус втулочной части поковки на границе с фланцем.
в
Средний диаметр высаживаемой части заготовки D предлагается рассчитывать по формуле:
в
По диаметру высаживаемой заготовки D определяют наибольший диаметр предварительного ручья с учетом зазора для укладки.
Кроме того, при проектировании технологических переходов штамповки важно учитывать центровку осаженной (высаженой) и предварительно отштампованной заготовки в следующем ручье штампа. С этой целью, как показано на фиг. 6, в первом переходе из цилиндрической заготовки получен полуфабрикат шаровидной формы. Повышение нормы расхода металла при разъеме штампа, располагающегося в самом трудно заполняемом месте ручья, обычно примыкающем к торцу наибольшего диаметра поковки, из-за увеличения глубины ручья и высоты штамповочных уклонов, с лихвой компенсируется уменьшением их величины.
На фиг. 6 представлена схема штамповки полых фланцевых поковок с малым фланцем, для которой актуален открытый штамп с односторонним расширяющимся облойным мостиком.
Штамп работает следующим образом.
Исходную заготовку 1, полученную из прутка, осаживают между вставками 6 и 7 и получают заготовку 2. Заготовку 2 устанавливают в полость матрицы 8. При движении ползуна пресса вниз пуансон 9 деформирует осаженную заготовку: формирует полость, фланцевое утолщение и ступичную часть. В результате получают полуфабрикат первого этапа 3, который снимают с пуансона 9 выталкивателем 10 или извлекают из матрицы 8 выталкивателем 11. Полученный полуфабрикат 3 устанавливают в матрицу 12 и подвергают деформированию пуансоном 13, в результате получают полуфабрикат второго этапа 4 который снимают с пуансона 13 выталкивателем 14 или извлекают из матрицы выталкивателем 15. Полученный полуфабрикат 4 устанавливают в матрицу 16 с расширяющимся односторонним облойным мостиком и подвергают деформированию пуансоном 17, в результате получают окончательно отштампованную поковку 5, которую извлекают из матрицы 16 выталкивателем 18 или снимают с пуансона 17 вставкой-съемником 19.