Формообразующая часть горячего штампа под заготовку-вал с шестерней на конце
FORMING PART OF THE HOT MOLD FOR THE SHAFT WORKPIECE  WITH A GEAR AT THE END

Изобретение относится к металлургическому производству для получения горячей штамповкой заготовок- валов с конической шестерней на конце. Известна нижняя часть штампа для получения поковок типа стержней с головкой на конце, например болтов, содержащая обойму с закрепленной в ней матрицей с формообразующей полостью и выталкивателем в ее нижней части (см. книгу Ковка и штамповка.  Е.Н. Семенов и др. - М.: Машиностроение, 1986. - Т. 2, с. 32-33).
Его недостатки: незначительная стойкость формообразующей полости матрицы из- за значительных тепловых и силовых нагрузок, действующих на нее при получении поковки.
Известна формообразующая часть горячего штампа для получения заготовки- вала с шестерней на конце, содержащая обойму с верхней и нижней полостями соответственно большего и меньшего диаметров и расположенными на их поверхностях наклонными верхними канавками, открытыми концами в ее верхнюю кольцевую канавку с поперечным окном под хладагент и среднюю кольцевую канавку, размещенную в зоне сопряжения частей формообразующей полости матрицы, и нижними канавками, открытыми концами в кольцевую проточку дна верхней полости большего диаметра обоймы, и в нижнюю кольцевую канавку с поперечным окном под хладагент на поверхности ее нижней полости, в которых размещена матрица, выполненная с наружной боковой поверхностью большего диаметра в верхней части и установленная с упором торца этой части в дно верхней полости обоймы, а в нижней полости - ее нижняя боковая поверхность меньшего диаметра с выступанием за задний торец обоймы ее хвостовика с зафиксированной на нем гайкой, контактирующей передним торцом с этим торцом; при этом на наружной боковой поверхности матрицы в зоне сопряжения частей ее полости выполнены каналы-прорези с криволинейным дном, открытые началом в среднюю кольцевую канавку обоймы, концом в кольцевую проточку дна верхней полости обоймы (см. патент РФ 2691817 С1 от 27.12. 2018.) Ее недостаток: неэффективное охлаждение зоны сопряжения полости матрицы из-за недостаточной площади охлаждения ее внешней боковой стороны; уменьшение площади дна верхней полости обоймы за счет его кольцевой проточки вызывает там пластическую деформацию контактирующих поверхностей обоймы и матрицы; увеличение трудоемкости обоймы за счет изготовления на поверхности ее малой полости наклонных канавок.
Задачей предлагаемого решения является повышение эффективности охлаждения матрицы в данной зоне путем увеличения площади этой поверхности, а также упрощение изготовления обоймы Технический результат от него: повышение стойкости матрицы в этой зоне и снижение трудоемкости этой части штампа.
Он достигается тем, что в формообразующей части горячего штампа для получения заготовки в виде вала с шестерней на конце, содержащей матрицу, выполненную с наружной боковой поверхностью большего диаметра в верхней части, с нижней боковой поверхностью меньшего диаметра с хвостовиком и с формообразующей полостью, состоящей из частей, и обойму с верхней и нижней полостями соответственно большего и меньшего диаметров, с верхним поперечным окном под хладоагент, выходящим в ее верхнюю внутреннюю кольцевую канавку, средней и нижней кольцевыми канавками, в последнюю из которых выходит поперечное окно под хладоагент, выполненное на поверхности нижней полости обоймы, и с расположенными на поверхности верхней полости под углом к продольной оси верхними канавками, открытыми концами в верхнюю и среднюю кольцевые канавки, матрица размещена в полостях обоймы с упором торца верхней части в дно верхней полости обоймы, при этом средняя кольцевая канавка обоймы расположена в зоне сопряжения частей формообразующей полости матрицы, в которую открыты началом выполненные на наружной боковой поверхности матрицы каналы-прорези с криволинейным дном, а нижняя боковая поверхность меньшего диаметра матрицы размещена в нижней полости обоймы с выступанием за задний торец обоймы ее хвостовика, на котором зафиксирована гайка, контактирующая передним торцом с задним торцом обоймы, НОВЫМ ЯВЛЯЕТСЯ ТО, ЧТО каналы-прорези расположены до нижней кольцевой канавки обоймы, в которую выходят их криволинейные донья,  и выполнены с боковыми стенками, наклоненными наружу на угол 90°, и стенкой, расположенной посередине упомянутого дна в контакте вершиной с поверхностью полости обоймы, при этом в доньях упомянутых каналов-прорезей выполнена по меньшей мере одна канавка с увеличивающейся к периферии матрицы глубиной.
Расположением до нижней кольцевой канавки обоймы каналов-прорезей матрицы, выходящих в эту канавку своими криволинейными доньями, повышается эффективность охлаждения из-за приближения этих прорезей к внутренней поверхности матрицы, также упрощается изготовление обоймы и в целом формообразующей части штампа по сравнению с формированием канавок на поверхности нижней части обоймы.
Наклоном на 90° наружу боковых стенок каналов-прорезей, выполненных на наружной боковой поверхности матрицы, увеличивается ее охлаждаемая поверхность и повышается эффективность охлаждения ее.
Выполнением по середине дна канала-прорези стенки, контактирующей вершиной с поверхностью полости обоймы, увеличивается охлаждаемая поверхность матрицы и повышаются эффективность охлаждения ее и прочность в зоне стенки.
Формированием в таких доньях каналов-прорезей как минимум одной канавки с увеличивающейся к периферии матрицы глубиной увеличивается охлаждаемая поверхность этих доньев и, следовательно, повышается стойкость этой части матрицы.
Предлагаемыми доньями каналов-прорезей исключается их «запаривание» при кипении в них хладагента и, следовательно, устраняется кризис теплообмена 1-го  рода на охлаждаемой поверхности матрицы с повышением ее стойкости.
Анализ предлагаемого с известными решениями показывает его новизну, существенные отличия, промышленную пригодность и соответствие критериям ИЗОБРЕТЕНИЕ.
Оно представлено на чертеже фиг. 1 и 2 и содержит обойму 1 с цилиндрической ступенчатой полостью большего вверху и меньшего внизу диаметров, в которой с зазором расположена матрица 2 с такими же наружными диаметрами и с формообразующей полостью 3 в верхней части большего диаметра, чем в остальной части ее, соединенными между собой радиусами сопряжениями; при этом в обойме 1 выполнено верхнее поперечное окно 4 под отводимый нагретый теплом матрицы хладагент, выходящее в ее верхнюю внутреннюю кольцевую канавку 5, куда открыты также и наклонные канавки 6, образованные на ее внутренней поверхности и выходящие концами в ее среднюю кольцевую канавку 7, выполненную в зоне сопряжения радиусов частей полости 3 матрицы 2; в нее выходят своим началом криволинейные по стенкам и доньям каналы-прорези 8 матрицы, расположенные в зоне сопряжения частей полости 3 матрицы 2, продолженные на матрице и открытые концами в нижнюю кольцевую проточку 9 обоймы 1, куда выходит ее поперечное окно 10 под хладагент; за торец обоймы 1 выступает задняя часть матрицы, на которой зафиксирована, например, штифтом (не показанным на фиг. 1) гайка 11, упирающаяся передним торцом в ее задний торец; герметичность зоны циркуляции хладагента обеспечивается уплотнительными элементами 12 и 13, расположенными в канавках обоймы с омыванием их хладагентом. На поперечном сечении А-А фиг.2 приведены разновидности каналов –прорезей матрицы.   В верхней части сечения А-А приведен канал-прорезь матрицы, боковые стенки 14 которого наклонены под углом α=90° и образуют плоское дно 15; в нижней части его по середине дна 15 образована стенка 16, контактирующая вершиной с поверхностью полости обоймы 1, а в дне 15 сформированы канавки 17 с увеличивающейся к периферии матрицы глубиной. Предлагаемое устройство охлаждается так: хладагент по окну 10 обоймы 1 подается в ее кольцевую канавку 9, а из нее в каналы-прорези 8, по которым поступает в зону сопряжения частей 3 формообразующей полости матрицы 2; из нее поступает в среднюю кольцевую канавку 7 обоймы 1, из которой по ее наклонным канавкам 6 попадает в кольцевую канавку 5 и затем через ее поперечное окно 4 нагретый теплом матрицы 2 хладагент отводится за пределы обоймы 1.
Эффект охлаждения матрицы 2 определяется величиной ее охлаждаемой поверхности, перепадом температур между ней и хладагентом, скоростью и продолжительностью циркуляции последнего но ее каналам- прорезям и канавкам обоймы и допустимыми толщинами стенок теплообменных поверхностей ее и особенно в зоне сопряжения частей полости матрицы, где максимальны тепловое, механическое, эрозионное и прочие воздействия деформируемого металла заготовки.
Выполнением на доньях каналов-прорезей еще дополнительных канавок переменной глубины увеличивается охлаждаемая поверхность матрицы и, в итоге, повышается эффект охлаждения ее внутренней поверхности и стойкость ее. При оптимальных толщинах стенок матрицы установившийся к очередной запрессовке заготовки перепад температур между ее теплообменными поверхностями будет минимальным, чем повышается ее стойкость в 1,5 раза. Таким образом, данным решением возрастает примерно в 1,5 раза наружная охлаждаемая поверхность матрицы в зоне ее каналов-прорезей и повышается эффективность охлаждения с увеличением в 1,5 раза стойкости ее и снижается трудоемкость этой части штампа.