Результат интеллектуальной деятельности: Способ пробивки отверстий в листовых многослойных заготовках с центральным металлическим слоем и утолщенными наружными эластичными слоями

Техническое решение относится к области обработки металлов давлением, и может быть использовано для пробивки отверстий в многослойных заготовках с центральным металлическим слоем и утолщенными (относительно центрального металлического слоя) наружными эластичными слоями.

Известен способ чистовой вырубки, пробивки круглых деталей из листовых заготовок (а.с. №1393505, Богоев B.C., Тимощенко В.А., МПК⁶ B21D 35/00, 1975), в котором на заготовку воздействуют эластичным пуансоном, а матрица имеет кольцевой клиновой выступ, непосредственно осуществляющий отделение отхода. Отличительной особенностью данного способа является то, что, с целью снижения трудоемкости процесса и повышения качества изделий за счет исключения шероховатой зоны скола, выдавливание и осадку отхода осуществляют непрерывно до полного отделения детали сдвигом, при этом осуществляют местную упругую деформацию инструмента в зоне осадки.

Известен способ (а.с. №475193, Бадыров O.К., МПК⁶ B21D 28/10, 1975) вырезки деталей из листовых заготовок, заключающийся в том, что материал прорезают по контуру получаемой детали, а затем вырезают и в процессе вырезки прилагают силу прижима. В данном способе клиновые кольцевые выступы выполнены на пуансоне и прижиме. Отличительной особенностью данного способа является то, что, с целью получения скругленных кромок на обоих торцах вырезанной детали, для прорезки, вырезки и прижима прилагают одинаково направленные усилия к одной плоскости заготовки, при этом силу прижима прилагают по линии прорезки прилежащему к ней участку материала, находящемуся вне контура получаемой детали.

Основным общим недостатком данных изобретений является невозможность с их помощью изготавливать кольцевые в плане детали из многослойных материалов, имеющих центральный несущий металлический слой и наружные эластичные слои.

Известен способ (RU 2483823, Панфилов Г.В., Судаков П.В., Власов К.В., МПК⁸ B21D 28/00, 2013) вырубки деталей из листовых многослойных материалов с центральным металлическим слоем и наружными эластичными слоями, включающий прижим листового многослойного материала к матрице, предварительное прорезание наружных слоев пуансоном и матрицей, выполненных с клиновыми кольцевыми выступами, которые внедряют в наружные слои до упора в центральный металлический слой с обеспечением прижима листового многослойного материала в зоне последующего отделения отхода, и последующую вырубку детали, при этом клиновые кольцевые выступы пуансона имеют внутренний угол 40-60°, внешний угол 3-7°, опорную площадку при вершине клинового выступа 1-3 мм, а клиновые кольцевые выступы матрицы - внутренний угол 0-1°, внешний угол 20-30°, опорную площадку при вершине клинового выступа 0,5-1,5 мм, причем наименьшая высота клиновых выступов на пуансоне и матрице составляет 0,95-0,65 от исходной толщины соответствующих наружных слоев. Данный способ принимается за прототип.

Недостатком этого способа является невозможность пробивки отверстий в трехслойных заготовках с центральным металлическим слоем, имеющих существенно увеличенную толщину (относительно него) наружных эластичных слоев.

Задачей настоящего изобретения является расширение технологических возможностей применения операции пробивки отверстий в листовом многослойном материале на металлической основе, имеющих наружные эластичные слои увеличенной толщины, и повышение качества их изготовления.

Способ пробивки отверстия в листовом многослойном заготовке с центральным металлическом слое и наружными эластичными слоями большей толщины, включающий размещение заготовки из листового многослойного материала в полости матрицы, ее прижим до упора к основанию полости матрицы кольцевым прижимом, и прорезание нижнего эластичного слоя заготовки кольцевым выступом матрицы с цилиндрическим участком, толщиной стенки 1,0-3,75 Sм, высотой, обеспечивающей упругое сжатие кольцевым прижимом нижнего эластичного слоя только на участке заготовки, остающемся в детали, и внешней фаской с углом 8-12°, образующей клиновой участок с опорной кольцевой площадкой толщиной не менее 0,45 Sм, прорезание верхнего наружного слоя кольцевым пуансоном, имеющим толщину стенки 1,4-4,5 Sм фаску на рабочем торце с углом 20-30° и толщиной основания не менее 0,75 Sм, Sм - толщина центрального металлического слоя, и пробивку отверстий в центральном металлическом слое без сжатия наружных эластичных слоев идущей в отход части заготовки.

На фиг. показана схема процесса пробивки отверстий в листовых многослойных заготовках с центральным металлическим слоем утолщенными наружными эластичными слоями.

Сущность предложенного способа осуществляется по схеме процесса, в котором матрица 1 имеет полость глубиной в которую устанавливается предварительно вырубленная мерная заготовка толщиной S₀, что ограничивает радиальные упругие и пластические деформации заготовки как во время ее прижима, так и непосредственно при пробивке отверстия. Пуансонный блок содержит кольцевой прижим 2 и расположенный внутри, независимо перемещающийся, кольцевой пробивной пуансон 3. Трехслойная заготовка имеет верхний эластичный слой 4, остающийся в детали и верхний эластичный слой 5, удаляемый в составе отхода пробивки отверстия, центральный металлический слой 6 и, соответственно, нижний эластичный слой 7, также удаляемый в составе отхода пробивки отверстия. Кольцевой выступ 8, выполненный в основании полости матрицы, имеет не только клиновой, формируемый за счет нанесения фаски, но и цилиндрический участок, что существенно уменьшает толщину этого кольцевого выступа, а следовательно, обеспечивает возможность изготовления деталей типа «многослойная шайба» с центральным несущим металлическим слоем 6 и увеличенными относительно него эластичными наружными слоями без разрушения последних в зоне пробивки. Рациональные геометрические размеры инструмента установлены экспериментально.

Способ осуществляется следующим образом. Вначале силой P₁ на заготовку 4, размещенную в полости матрицы 1 до касания наружной поверхностью нижнего эластичного слоя 7 кольцевой опорной площадки толщиной t₀ клинового выступа 8 на матрице, выполненного на матрице, воздействует кольцевой прижим 2, перемещая ее к основанию этой полости до упора и прорезая нижний эластичный слой 7 заготовки клиновым выступом 8 на матрице. При дальнейшем перемещении прижима верхний и нижний эластичные слои первоначальной толщиной соответственно и сжимаются до момента касания нижней поверхностью центрального металлического слоя 6 опорной кольцевой площадки толщиной t₀ клинового выступа 8 на матрице. На этом сжатие нижнего эластичного слоя завершается, его толщина становится равной величине S_н.с. и общей высоте клинового выступа на матрице. Последующее перемещение прижима приводит к дальнейшему сжатию верхнего эластичного слоя на допустимую величину до толщины S_в.с., что обеспечивает требуемую силу прижима заготовки. При необходимости корректируемое по величине раздельно сжатие верхнего и нижнего наружных слоев способствует сохранению качества центрального металлического слоя 6 и изготавливаемой многослойной детали в целом. Далее под действием силы Р₂ кольцевой пробивной пуансон 3 прорезает верхний наружный эластичный слой 5 и осуществляет пробивку отверстия в центральном металлическом слое 6, т.е. в детали в целом.

Технический результат обеспечивается тем, что кольцевой пробивной пуансон 3 имеет диапазон изменения толщины стенки в зависимости от прочности материала центрального металлического слоя 6, на рабочий торец которого нанесена фаска, образующая клиновой выступ на матрице, под углом 20≤δ₁≤30° таким образом, что толщина основания рабочей торцовой площадки пробивного пуансона 3 должна быть t_p≤0,75S_м.

Кольцевой выступ 8 на матрице имеет цилиндрический участок с толщиной стенки 1,0S_м≤t_к.в.≤3,7S_м, высота которого согласована с рациональной степенью упругого сжатия нижнего эластичного слоя при прижиме заготовки, а на торцевую часть нанесена фаска под углом 8≤δ₂≤12°, образующая клиновой участок с опорной кольцевой площадкой толщиной t_о≤0,45S_м.

Исключение сжатия наружных эластичных слоев части заготовки, идущей в отход после пробивки, повышает качество среза, облегчает извлечение отхода из полости кольцевого пуансона и позволяет использовать этот отход для получения трехслойных уплотнительных элементов меньшего наружного диаметра.

Пример. Получение таких деталей высокого качества другими традиционными способами не представляется возможным, поскольку наличие в листовой заготовке эластичных наружных слоев не позволяет осуществить надежный прижим центрального металлического слоя перед пробивкой, что неизбежно приводит к его изгибу в зоне среза и разрушению наружных эластичных слоев, что недопустимо. С помощью предлагаемого способа рационально изготавливать детали типа «многослойная шайба» с наружным диаметром 30≤D≤150 мм, толщиной металлического слоя 0,3≤S_м≤3,0 мм и толщиной наружных эластичных слоев 4,5S_м≤S_в.с.=S_н.с.≤8,5S_м.

Проверочным экспериментальным исследованиям подвергнута возможность качественного изготовления двух типоразмеров трехслойных уплотнителей из рассматриваемого комплекса его геометрических размеров с пробивкой отверстий по предлагаемому способу:

1. Уплотнители, имевшие: толщину центрального металлического слоя 0,35 мм из нержавеющей стали 30ХГСА; толщину наружных эластичных слоев из терморасширенного графита (пенографита), восстанавливающего свою форму после приложения упругих сжимающих деформаций до 40%, равную 3 мм; наружный диаметр уплотнителя 30 мм. При этом рациональными оказались следующие размеры клинового инструмента: толщина стенки кольцевого пробивного пуансона - 1,5 мм, на рабочий торец которого наносилась внутренняя фаска под углом 30° таким образом, что толщина основания рабочей площадки составляла t_р=0,16 мм. Размеры матрицы: толщина стенки цилиндрического участка кольцевого выступа - 1,2 мм, на рабочий торец которого наносится внешняя фаска под углом 8° таким образом, чтобы толщина стенки кольцевой опорной площадки составила t_о=0,12 мм.

2. Уплотнители, имевшие: толщину центрального металлического слоя 3,0 мм из нержавеющей стали 30ХГСА; толщину наружных эластичных слоев из терморасширенного графита (пенографита), равную 25 мм; наружный диаметр уплотнителя 120 мм. При этом рациональными оказались следующие размеры клинового инструмента: толщина стенки кольцевого пробивного пуансона - 4,5 мм, на рабочий торец которого наносилась внутренняя фаска под углом 25° таким образом, что толщина основания рабочей площадки составляла t_p=2,25 мм. Размеры матрицы: толщина стенки цилиндрического участка кольцевого выступа - 3,0 мм, на рабочий торец которого наносится внешняя фаска под углом 10° таким образом, чтобы толщина стенки кольцевой опорной площадки составила t_о=1,55 мм.

Проведенными экспериментами была подтверждена возможность изготовления трехслойных уплотнителей на металлической основе с наружными эластичными слоями увеличенной толщины различных типоразмеров. Контролируемыми основными дефектами, как и в прототипе, являлись: изгиб центрального металлического слоя в зоне среза в направлении перемещения пуансона, разрушающий в этой зоне наружные слои и искажающий форму уплотнителя в целом; отклонение образующих наружной торцевой поверхности уплотнителя и торцевой поверхности отверстия от общей оси симметрии (косина торцов); смятие наружных эластичных слоев вследствие использования прижима и их разрушение в зоне самой пробивки (из-за наличия клинового выступа на матрице и перемещения клинового пуансона). В ходе обработки результатов экспериментальных исследований было установлено, что возникающие дефекты минимальны и полученные уплотнители удовлетворяют техническим условиям на их изготовление.

В результате использования предлагаемого способа расширились технические возможности применения операции пробивки заготовок из многослойного материала и повысилось качество изготавливаемых уплотнительных и прокладочных деталей.