ШТАМП ДЛЯ ПРОБИВКИ ОТВЕРСТИЙ

Предложение относится к области машиностроения, в частности к устройствам обработки металлов давлением и может быть использовано в штампах для пробивки одного или группы отверстий малых размеров в деталях (заготовках) из листового материала.
Штамповкой называется процесс обработки материалов давлением в результате пластической деформации заготовки в штампах. Для штамповки в качестве оборудования используют прессы, а в качестве инструмента (оснастки) - штампы.
Предложение относится к области холодной листовой штамповки, а именно к устройствам обработки материалов давлением без нагрева заготовки. Для листовой штамповки исходным материалом служат лист, полоса, лента. Листовой штамповке подвергают различные материалы, такие как сталь, медь, латунь, бронзу, алюминий, а также бумагу, картон, резину и другие металлические и неметаллические материалы.
В современном машиностроении и металлообработке холодная листовая штамповка занимает одно из ведущих мест по объему перерабатываемого металла, по числу и массе изготовляемых деталей машин, приборов и предметов широкого потребления. Технологические процессы листовой штамповки применяют на металлообрабатывающих предприятиях, как с
массовым и крупносерийным, так и с мелкосерийным и единичным характером производства.
Предложение относится к разделительным операциям холодной штамповки, а именно пробивке, когда в результате обработки давлением происходит отделение одной части заготовки от другой по заданному контуру.
Процесс пробивки отверстий в листе заготовки аналогичен процессу разрезки и состоит из трех последовательных стадий. Это стадия упругих деформаций, когда инструмент (пуансон) только начинает вдавливаться и напряжения в металле не превышают предела упругости. Затем следует стадия пластическая, когда деформации являются остаточными, а напряжения в металле превышают предел текучести и постепенно возрастают до максимума, соответствующего пределу прочности металла при срезе. Завершает процесс стадия разрушения, при которой образуются трещины, натравленные по поверхностям скольжения и вызывающие отделение одной части металла от другой.
Усилие, необходимое для пробивки, зависит от многих факторов: толщины материала, механических свойств материала, формы режущих кромок пуансона и матрицы, величины зазора между пуансоном и матрицей, а также от состояния режущих кромок штампа.
Из научно-технической информации известны устройства для пробивки ряда отверстий в объектах из листового материала, которые позволяют пробивать отверстия по одному, с соответствующим относительным передвижением и фиксацией перед пробивкой каждого отверстия с помощью делительного и фиксирующего механизмов [1].
Данные устройства не требуют больших усилий для пробивки отверстий, однако они не пригодны для изготовления деталей, в которых отверстия расположены достаточно близко друг от друга, поскольку тогда происходит накопление ошибки в расположении отверстий из-за кинематической погрешности делительного механизма.
Известен штамп для пробивки отверстий в деталях из листового материала, где ширина перемычки между отверстиями меньше толщины обрабатываемого материала, содержащий матрицу, пуансоны, смонтированные в пуансонодержателе, средство противодавления на перемычку [2].
Недостатком данного устройства является то, что такая схема установки пуансонов ведет при штамповке к резкому увеличению нагрузки на ограниченную площадь заготовки, это в свою очередь вызывает ее коробление. Кроме того, при достаточно близком друг к другу расположении отверстий в изделии, установка пуансонов в один ряд при высокой скученности конструктивно невозможна.
Известен также штамп для пробивки отверстий в деталях из листового материала, содержащий матрицу и пуансоны, смонтированные в пуансонодержателе и расположенные по концентрическим рядам, образующим правильные многоугольники, причем пуансоны, размещенные в вершинах многоугольников, смещены относительно друг друга [3].
Конструкция данного штампа позволяет более равномерно распределить нагрузку на поверхности обрабатываемой детали и обеспечивает операции последовательной пробивки отверстий группами.
Однако известный штамп предназначен для изготовления стальных решеток для мясорубок и не пригоден для изготовления качественных изделий из других металлов, например из меди. Также при последовательной пробивке отверстий группами трудно добиться соосности выполняемых отверстий, что тоже снижает качество изделия.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является штамп для пробивки группы отверстий, используемый на открытом кривошипном прессе КД 2330 усилием 100 т [4].
Данный штамп содержит традиционные части, входящие во все устройства штампов для холодной штамповки. Штамп включает нижнюю плиту с матрицей, размещенную на столе пресса, верхнюю плиту с
пуансонодержателем, в котором закреплены пуансоны, съемник готового изделия.
Недостатком известного устройства является то, что его нельзя использовать для изготовления изделий, которые требуют значительных усилий, превышающих установленную норму. На промышленных предприятиях при проведении ремонтных работ нецелесообразно использовать дорогое высокопроизводительное оборудование для изготовления деталей, которые требуются в малых объемах. Поэтому возникает необходимость использовать существующие агрегаты, изменив оснастку.
Технический результат предложения заключается в расширении технологических возможностей прессового оборудования путем обеспечения процесса одновременной пробивки многорядных отверстий на прессах с ограниченными по усилиям возможностями.
Для достижения указанного технического результата в штампе для пробивки отверстий, содержащем верхнюю плиту, пуансонодержатель, съемник, группу пуансонов, нижнюю плиту с матрицей, согласно предложению, группу составляют пуансоны круглого и овального контура, которые выполнены разной длины со ступенчатым расположением по высоте, и рабочий торец каждого пуансона овального контура профилирован телом вращения.
Согласно предложению, при изготовлении штампа пуансонодержатель вместе с пуансонами, которые зафиксированы в нем штифтами, собраны в пакет и скреплены между собой связующим составом с последующей выдержкой не менее суток.
Наличие вышеуказанных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез штампа; фиг.2 изображена матрица в плане; на фиг.3
представлен пуансонодержатель в плане; на фиг.4 изображен продольный разрез А-А пуансонодержателя; на фиг.5 представлены пуансоны овального и круглого контура.
Следует учесть, что на чертежах для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа технического решения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.
Заявляемый штамп предназначен для изготовления таких деталей как, например доска усилительная ТЭ1-02.013, которая используется для ремонта водяных секций тепловозов. Деталь «доска усилительная» имеет большое количество отверстий (68 овальных и 16 круглых), которые по своему расположению повторяются с шагом в два ряда.
Обычно при серийном производстве такие детали выполняют на оборудовании с автоматической подачей полосы, что дает возможность изготавливать оснастку с наименьшим количеством повторяющихся элементов (в данном случае два ряда, то есть 17 овальных и 4 круглых пуансона).
Однако такое дорогое оборудование неэффективно при мелкосерийном производстве изделий, необходимость в которых возникает по мере надобности только для ремонта. В соответствие с техническими требованиями на деталь «доска усилительная ТЭ1-02.013» отклонения соосности отверстий минимальные и составляют 0,1 мм. В связи с этим поэлементная штамповка при ручной подаче заготовки недопустима. Поэтому для получения качественного изделия необходимо выполнить за один удар штампа пробивку всех отверстий одновременно.
Вырубка и пробивка - отделение металла по замкнутому контуру в штампе. При вырубке и пробивке характер деформирования заготовки одинаков. Эти операции отличаются только назначением. Вырубкой оформляют наружный контур детали, а пробивкой - внутренний контур (изготовление отверстий).
общ
ср
общ
ср
При выборе пресса усилие вырубки (пробивки) рассчитывается по формуле: Р=L. S σ, где L. - суммарный периметр контура пробивки (мм); S - толщина штампуемого материала (мм); σ - сопротивление срезу (Мпа). Для доски усилительной:
общ
L=68(2×l6,8+π2R)+16πD=68×40,83+16×13,19=2987,44 мм.
S=3 мм.
ср
ср
σ=16 МПа для мягкой меди, σ=24 МПа для твердой меди [5].
Таким образом, усилие для пробивки листа из мягкой меди составило Рм=2987,44×З×16=110,31 т, а для твердой меди - Рт=2987,44×З×24=215,10 т.
Кроме этого, к усилию вырубки (пробивки) при выборе пресса прибавляется усилие выталкивания отхода из матрицы: Рпд=0,1Р.
Следовательно, для листа из мягкой меди Рпд=0,1×110=11 т, а для твердой меди Рпд=0,1×215=21,5 т [6].
Указанные усилия действуют одновременно, поэтому требуемое усилие пресса вычисляется по формуле:
Рпресса=1,25(Р+Рпд),
Рпресса=1,25(110,31+11)=151,64 тс для листа из мягкой меди,
Рпресса=1,25(215Д0+21,5)=292,75 тс для листа из твердой меди.
Заявляемое техническое решение позволяет снизить усилие вырубки практически вдвое и использовать кривошипный пресс КД 2330 с ограниченными по усилиям возможностями для изготовления доски усилительной.
Кривошипный пресс - это машина с кривошипно-ползунным механизмом, предназначенная для штамповки различных деталей. Рабочей частью пресса является штамп, неподвижную часть которого крепят к столу, подвижную - к ползуну пресса. Ползун перемещается кривошипно-ползунным механизмом. За один оборот кривошипа шатун совершает полный ход, во время которого при движении ползуна вперед происходит штамповка. Усилие пресса создается за счет крутящего момента, передаваемого кривошипному валу электроприводом. Привод состоит из
электродвигателя, маховика, муфты включения, тормоза и понижающей зубчатой передачи, от которой вращение передается кривошипному валу. Электродвигатель вращает маховик, за счет силы инерции которого на кривошипном валу возникает крутящий момент.
Штамп (фиг.1) включает нижнюю неподвижную плиту с матрицей 1, при этом плита закреплена на столе пресса (на чертеже не показан). В матрице 1 (фиг.2) выполнены окна 2 и 3 соответственно двух видов: 68 овальных и 16 круглых. При изготовлении матрицы 1 первоначально были выполнены круглые отверстия 3 и заготовки под овальные отверстия 2 на координатном станке. Затем при помощи специального каленого приспособления были пробиты овальные отверстия 2 в сырой матрице (сначала меньшего чернового размера, а затем чистового с минимальным припуском на притирку). Это исключило фрезеровку 84 окон матрицы 1, что снизило трудоемкость изготовления штампа, так как малейшая ошибка во время фрезеровки портит всю деталь (матрицу) на любой стадии изготовления.
Устройство также содержит верхнюю плиту, которая через хвостовик закреплена к ползуну пресса (на чертеже не показан). На верхней плите закреплен пуансонодержатель 4 (фиг.3, 4), в котором зафиксированы пуансоны 5 (68 штук) и 6 (16 штук). По форме пуансоны 5 (овальной формы) и 6 (круглой формы) подобны окнам соответственно 2 и 3 матрицы 1, но имеют меньшие размеры. Пуансоны 5 и 6 выставлены (при монтаже) по матрице 1 с образованием технологического зазора в 0,08 мм между их рабочими боковыми поверхностями и поверхностями окон 2 и 3 матрицы 1.
Рабочий торец каждого овального пуансона 5 профилирован телом вращения (фиг.5), то есть, выполнен с заточкой по радиусу R=20 мм. Круглые пуансоны 6 имеют небольшой диаметр (6 мм), у них - плоский торец. При этом половина пуансонов 5 (34 штуки) и половина пуансонов 6 (8 штук) выполнены разной длины, короткие и длинные, причем разница по высоте составляет Н=2,5 мм.
Штамп включает съемник 7 изготавливаемой детали. Для предотвращения вырывания пуансонов 5 и 6 из пуансонодержателя 4 во время съема детали съемником 7 (усилие съема около 30 тс) в пуансоны 5 и 6 вставлены штифты 8, которые размещены в гнезде пуансонодержателя 4. Собранный пакет (пуансоны 5 и 6, штифты 8 и пуансонодержатель 4) заливается связующим составом, и после выдержки в сборе не менее суток, верхняя часть пакета шлифуется. Дальнейшая схема сборки штампа остается классической.
Устройство работает следующим образом.
В штамп между направляющими планками подают заготовку (карточку 192×142×3). При нажатии педали пресса сжатый воздух из пневматической системы поступает в муфту и передает свое движение кривошипу. Кривошип начинает свое движение и толкает ползун пресса с верхней частью штампа, который движется по направляющим. Штамп смыкается.
При ходе ползуна вниз пуансоны 5 и 6, встречая на своем пути полосу материала, пробивают необходимые отверстия, сначала длинными пуансонами, а затем короткими. Затем ползун пресса отходит вверх. Деталь снимается съемником 7.
В заявляемом техническом решении совокупность известных и вновь введенных признаков позволяет снизить усилие пробивки отверстий и использовать пресс усилием 100 т для изготовления доски усилительной из мягкой или твердой меди.
Наименьшее значение усилия вырубки (пробивки) получается при оптимальных технологических зазорах для каждого штампуемого материала и его толщины, соответствующих таким условиям разрезки, при которых трещины, идущие от пуансона и матрицы, сходятся (в нашем примере 0,08 мм). Это способствует получению наиболее чистой поверхности среза, отсутствию заусенцев и сохранению стойкости штампа.
Если зазор между пуансоном и матрицей мал, то скалывающие трещины не совпадут друг с другом и поверхность среза получится неровной, с
двойным пояском. Чрезмерно большой зазор ведет к появлению вырывов и заусенцев по контуру детали. При пробивке отверстий технологический зазор обеспечивают за счет увеличения рабочего отверстия матрицы, а размер пуансона равен размерам отверстия.
Общеизвестно, что применение скосов снижает усилия пробивки до 50% по сравнению с усилием, необходимым при работе штампом с параллельными режущими кромками. Так как пробивка происходит не одновременно по всему контуру, а постепенно, по мере опускания пуансона, усилие пробивки будет меньше.
В нашем решении матрица выполнена плоской, скос образован на пуансонах, в этом случае деталь остается плоской, а отход, выталкиваемый из матрицы, получается изогнутым. Каждый из овальных пуансонов выполнен с заточкой торца по радиусу. Скос должен быть обязательно двусторонний и симметричный относительно центра давления штампа, так как в противном случае возникают боковые усилия, которые приводят к дефекту режущих кромок, и заточка торца по радиусу надежно опеспечивает выполнение этого условия. Эксперименты показали, что для снижения усилия вдвое достаточно скосов только на овальных пуансонах, поэтому круглые пуансоны выполнены с плоским торцом, без скоса.
Чтобы уменьшить усилия при многопуансонной пробивке, пуансоны выполнены разной длины со ступенчатым расположением по высоте. Уменьшение нагрузки на пресс происходит потому, что усилия разрезки возникают неодновременно. Разница Н между длиной пуансонов обычно колеблется в пределах равных половине толщины заготовки до величины равной толщине заготовки (величина Н для нашего примера 2,5 мм).
Устройство было разработано и успешно использовано на Оренбургском локомотиворемонтном заводе.
Из вышесказанного следует, что изготовление данного устройства промышленным способом не вызывает затруднений, предполагает использование освоенных материалов и стандартного оборудования, что
свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Источники информации:
1 Авторское свидетельство SU №375119, B21D 28/26, 1973;
2 Авторское свидетельство SU №1183241, B21D 28/14, 1985;
3 Патент RU №2165324, B21D 26/14, 2001;
4 Руководство по эксплуатации КД2330-00-001-02РЭ, часть 1, Стандарт, 1980 г.;
5 Штампы для холодной листовой штамповки. Государственное издательство стандартов, Москва, 1962 год. Приложение 20, стр.262;
6 Рудман Л.И., Справочник конструктора штампов, Москва, Машиностроение, 1988 год, стр.58.