Результат интеллектуальной деятельности: ШТАМП ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано во всех отраслях машиностроения для глубокой вытяжки деталей из листовых материалов.

Известно устройство для вытяжки тонколистового материала с прижимом в виде тарельчатой пружины, образующей угол наклона к горизонтальной поверхности фланца, который обеспечивает контролируемое образование гофров на фланце заготовки в процессе вытяжки с последующим их разглаживанием при воздействии усилия, передаваемого упорами в виде роликов от рабочего органа пресса [Патент №2255828, МПК⁷ B21D 22/22, 24/04. Опубл. 10.07.2005].

К недостаткам данного устройства можно отнести следующее: конструкция устройства сложна в изготовлении и малопроизводительна, применение устройства ограничено толщиной штампуемой заготовки , используется для высокопластичных материалов.

Известен штамп для глубокой вытяжки цилиндрических деталей [Патент №2072271, МПК⁶ B21D 22/20. Опубл. 27.01.1997]. Конструкция данного штампа содержит упругие кольца в матрице.

К недостаткам данного штампа можно отнести следующее: для него необходимо специально энергоемкое прессовое оборудование, процесс штамповки сопровождается заливкой жидкости в полость матрицы, удаление жидкости с детали является трудоемким.

Наиболее близким техническим решением является штамп с использованием упругого прижима [А.с. 1400723, СССР, МКИ⁴ B21D 22/22, 24/04. Опубл. 07.06.1988]. Штамп содержит пуансон, матрицу, прижим, выполненный в виде кольцевого упора, упругого прижимного кольца, смонтированных в обойме. Штамп используется при небольшой разнотолщинности, для относительно гонких заготовок. Прижим выполнен в виде смонтированных в обойме упругого металлического прижимного кольца с переменной по радиусу толщиной и размещенного соосно и в контакте с ним кольцевого упора. Такую форму прижима неудобно использовать при конструировании штампа, достаточно трудно изготовить кольцо с переменной толщиной с необходимой точностью.

Поставлена задача разработать такой штамп, который позволит улучшить качество поверхности для тонкостенных деталей, снизить гофрообразование фланца. Конструкция устройства должна быть проста в изготовлении.

Задача достигается за счет того, что в штампе для глубокой вытяжки осесимметричных деталей, содержащем соосно установленные пуансон, прижим и матрицу. При этом штамп содержит неподвижное опорное кольцо, а матрица и прижим выполнены в виде упругих металлических колец постоянной высоты.

На фигуре 1 представлена схема вытяжки.

На фигуре 2 представлена схема нагружения упругого прижима.

На фигуре 3 представлена схема нагружения упругой матрицы.

Штамп состоит из пуансона 1 с упругими элементами прижимом 2 и матрицей 3, опорного кольца 4, упругого прижимного кольца 5.

В процессе вытяжки опорное кольцо 4 неподвижно. Неравномерное изменение толщины фланца заготовки 6 при глубокой вытяжке тонколистового материала возможно учесть в штампе с упругими прижимом 2 и матрицей 3. Заготовку 6 устанавливаю'!' на упругую матрицу 3. К заготовке 6 подводят прижим 2 с упругим прижимным кольцом 5. Вытяжка осуществляется с помощью пуансона 1. Фланец заготовки 6 во время вытяжки прижат упругим кольцом 5, на которое передается усилие прижима 2. Усилие прижима 2 равномерно распределяется по всей поверхности фланца заготовки 6.

Прижим 2 и матрица 3 имеют форму колец. В процессе вытяжки фланец заготовки 6 перемещается между упругим прижимом 2 и рабочей поверхностью упругой матрицы 3. В результате неравномерности деформаций в процессе вытяжки угол естественного утолщения фланца заготовки 6 постоянно меняется. Упруго деформируясь, прижим 2 и матрица 3 меняют угол между рабочей поверхностью матрицы 3 и рабочей поверхностью прижима 2, повторяя угол заготовки 6. При этом давление прижима 2 и матрицы 3 равномерно распределяется по поверхности фланца. Усилие на прижим 2 передается через прижимное кольцо 5, расположенное по внешнему радиусу прижима 2. В процессе вытяжки под действием усилия прижим 2 и матрица 3 будут упруго деформироваться. Величина этого упругого перемещения ограничена упругими свойствами материала оснастки, которые должны превышать Δs_max максимальную величину разнотолщинности на фланце.

Внутренний и внешний радиусы прижима 2 и матрицы 3 определяются исходя из геометрических размеров детали.

Под действием усилия прижим 2 и матрица 3 должны прогнуться на величину Δs_max, а после снятия нагрузки принять начальную форму.

Условие пластичности по максимальным касательным напряжениям имеет вид:

σ_θ=σ_ρ-σ_0,2,

где σ_θ - окружные напряжения;

σ_p - меридиональные напряжения;

σ_0,2 - предел текучести.

Радиус независимой переменной изменяется в пределах:

r_д≤ρ≤R_H,

где r_д - радиус детали;

R_H, ρ - радиусы соответственно кромки заготовки и рассматриваемого элемента заготовки.

Разнотолщинность определяется по формуле:

Δs=s_max-s_min,

где s_max и s_min - максимальная и минимальная толщины детали.

В процессе вытяжки под действием усилия Q прижим прогибается, опираясь при этом на наружный край заготовки. На прижим действуют: поперечная сила Q (усилие прижима) и сила от опоры Р. Поперечные сечения прижима в плоскости поворачиваются, прижим осесимметрично изгибается и растягивается.

Опираясь на край заготовки, матрица прогибается, при этом на матрицу действуют: сила Q и сила от опоры Р. Поперечные сечения матрицы поворачиваются в плоскости, и матрица изгибается.

Угол поворота определяется из формулы:

,

где Δs_max - максимальная разнотолщинность на фланце,

r₁, r₂ - внутренний и наружный радиусы матрицы и прижима.

Так как угол поворота мал, то tgϑ=ϑ.

Максимальная стадия разнотолщинности на фланце определяется по формуле:

Δs_max=s_кромки-s_{матрицы},

где s_кромки - толщина кромки,

s_{матрицы} - толщина матрицы.

Толщина кромки определяется по формуле:

где s - толщина заготовки,

R_заг. - радиус заготовки,

R_фланца - радиус фланца.

Толщина матрицы определяется по формуле:

где s - толщина заготовки,

R_заг. - радиус заготовки,

R_{матрицы} - радиус матрицы.

Усилие прижима определяется по формуле:

где Q - полное усилие прижима,

R_i - радиус кромки заготовки,

ρ - радиус рассматриваемого элемента заготовки.

Полное усилие упругого прижима равно:

где s - толщина заготовки,

- модуль пластичности изотропного материала,

- момент инерции,

- относительная толщина листовой заготовки,

a_к, b - размеры критического элемента фланца, на котором образуются гофры,

N_k и M_k - константы потери устойчивости.

ω₀ - величина перемещения от дополнительных усилий выпрямления волны,

с - константа упрочнения материала заготовки.

Величина r находится из формулы:

где D - изгибная жесткость пластины, определяемая по формуле:

,

где Е - модуль упругости,

h - высота пластины,

µ - коэффициент Пуассона.

ϑ - угол поворота,

g - интенсивность поверхностной нагрузки.

Интенсивность поверхностной нагрузки при определении высоты матрицы имеет вид:

где Е - модуль упругости,

h - высота матрицы,

Δs_max - максимальная разнотолщинность на фланце заготовки,

r - переменный радиус, изменяется от r₁ до r₂,

r₁, r₂ - внутренний и наружный радиусы матрицы и прижима,

µ - коэффициент Пуассона.

Тогда высоты прижима и матрицы определяются по формулам:

где g - интенсивность поверхностной нагрузки,

r - переменный радиус, изменяется от r₁ до r₂,

r₁, r₂ - внутренний и наружный радиусы матрицы и прижима,

µ - коэффициент Пуассона,

Е - модуль упругости,

Δs_max - максимальная разнотолщинность на фланце заготовки.

Величина r находится из формулы:

где D - изгибная жесткость пластины, определяемая по формуле:

где Е - модуль упругости,

h - высота пластины,

µ - коэффициент Пуассона.

ϑ - угол поворота,

g - интенсивность поверхностной нагрузки.

Сопоставимый анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что штамп для глубокой вытяжки осесимметричных деталей, имеющий упругие прижим и матрицу, позволяет улучшить качество поверхности детали, снизить гофрообразование фланца. Конструкция устройства проста в изготовлении, высоты прижима и матрицы постоянны. Применяется в случае, когда разнотолщинность ΔS>35%.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».

Заявляемое устройство реализуется на кривошипных прессах с буферным устройством и кривошипных прессах двойного действия.

Штамп для глубокой вытяжки осесимметричных деталей применяется, когда разнотолщинность фланца больше упругого перемещения прижима.

Использование штампа с упругими прижимом и матрицей для глубокой вытяжки осесимметричных деталей позволяет получать тонкостенные заготовки S/D_заг<0,01, улучшать качество поверхности детали, увеличивать коэффициент вытяжки на 15-20%, снижать усилие прижима, необходимое для ликвидации гофрообразования фланца заготовки.

Штамп с упругими прижимом и матрицей для глубокой вытяжки осесимметричных деталей дает возможность для тонкостенных деталей с S/D>35% использовать коэффициенты вытяжки на 10-20% больше. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «изобретательский уровень».