Штамп для изготовления стержневых изделий с утолщением

Изобретение относится к обработке давлением и может быть использовано в кузнечно-штамповочном производстве при изготовлении стержневых изделий с утолщениями методом холодной, либо горячей штамповки.

Сущность полезной модели заключается в том, что неподвижный контейнер штампа для изготовления стержневых изделий с утолщением, выполнен с рабочим пространством, обеспечивающим деформирование заготовок с исходным диаметром от 0,5 мм до 50 мм, и, расположенным между жестким основанием и плавающей матрицей, которая удерживается в исходном (верхнем) положении, размещенным в рабочем пространстве упругим элементом, а именно: либо сжатым воздухом, либо гидравлической жидкостью, либо пружиной сжатия и создающим силу противодавления, позволяющей получать изделия типа «стержень с утолщением» за один рабочий ход кузнечно-прессовой машины с отношением длины высаживаемой части заготовки к ее диаметру L_B/D=5 и более, за счет совмещения в одном штампе высадки и радиального выдавливания, причем регулировка значения силы противодавления осуществляется за счет подключенной к штампу, системы управления с контрольно-измерительной аппаратурой, а сжатый воздух, либо гидравлическая жидкость подаются в рабочее пространство контейнера через фитинг и систему каналов, выполненных в жестком основании.

Использование предлагаемой конструкции штампа позволит: повысить универсальность штампов для изготовления изделий типа «стержень с утолщением», производительность процесса изготовления подобных изделий, стойкость инструмента, а также обеспечит возможность деформирования заготовки при комнатной температуре либо температуре не превышающей 0,55×T _пл, где: Т_пл - температура плавления материала заготовки (фиг.1, 3).

Изобретение относится к обработке давлением и может быть использовано в кузнечно-штамповочном производстве при изготовлении стержневых изделий с утолщениями методом холодной, либо горячей штамповки.

К подобным изделиям относят метизы, вал-шестерни, фланцы и прочее.

Известно, что при изготовлении деталей типа «стержень с утолщением» за один ход кузнечно-прессовой оборудования (механический пресс, гидравлический пресс либо холодновысадочный или горячештамповочный автомат), существует ограничение, предъявляемое к соотношению размеров исходной стержневой заготовки. Соотношение высаживаемой длины (L_в) исходной заготовки к ее диаметру (D) не должно быть более 2,5. Неправильный выбор отношения L_в /D приводит к тому, что при деформировании стержневой заготовки за один ход технологической машины происходит потеря продольной устойчивости ее стержневой части и получение бракованной детали.

Из уровня техники известен штамп для однопереходной высадки утолщений на стержневых заготовках, содержащий пуансон с коническим ручьем, матрицу, выполненную в виде двух полуматриц, четырех поддерживающих секций, одна из которых плавающая, смонтированных на подпружиненных штоках (авторское свидетельство СССР 626871, B21J 5/08, В21J 3/02, опубликовано БИ 37 за 1978 год) - 1аналог.

Кроме того, известен штамп для поперечного выдавливания, содержащий подвижную плиту с установленными на ней пуансоном и подпружиненной, относительно нее, полуматрицей, неподвижную плиту с установленным на ней противопуансоном, подвижную опору, с установленной на ней второй полуматрицей и силовые цилиндры с системой их питания, включающей золотник и два предохранительных клапана с различной величиной давления срабатывания (авторское свидетельство СССР, 806226, B21J 13/02, опубликовано БИ 7 за 1981 год) - 2 аналог.

Оба аналога обеспечивают получение за один рабочий ход технологической машины стержневых изделий с соотношением L/D более чем 2,5.

Недостатками указанных конструкций штампов-аналогов являются:

1. Ни один из указанных аналогов не обеспечивает выполнение комбинированного процесса деформирования. Деформирование материала с применением первого аналога осуществляется за счет высадки части стержневой заготовки в коническую полость, а деформирование материала с помощью второго аналога - за счет поперечного выдавливания металла в кольцевую полость постоянной высоты.

2. Конструкция штампа для высадки (1 аналог) имеет ограничение. Размеры получаемого изделия, в частности, максимальное значение соотношения L/D, зависят от длины упругих элементов, посредством которых подпружинены штоки поддерживающих секций. Длина упругих элементов (пружин) определяет допустимое перемещение плавающей секции и, соответственно, величину набора деформируемого материала.

3. Конструкция штампа для поперечного выдавливания (2 аналог) также имеет ограничение, связанное с размерами получаемого изделия и определяемое допустимым перемещением верхнего подвижного инструмента-пуансона.

4. Конструкция штампов-аналогов сложная, их эксплуатация и обслуживание являются трудоемкими.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является штамповый инструмент для двухударного холодновысадочного автомата (статья - Шварцман Я.О., Копылов-Хейфец С.И. «Пути улучшения технологических параметров холодной высадки и объемной штамповки», журнал «Кузнечно-штамповочное производство», Москва, 6, 1977, стр.36-38, рис.2 и 4) - прототип.

Штамповый инструмент содержит подпружиненный пуансон, неподвижную матрицу, высадочный стержень, который по всей длине поддерживается секторными направляющими, предохраняющие стержень от продольного изгиба и поломки. Направляющие располагают внутри корпуса, имеющего форму стакана, внутри которого расположена пружина, при этом, во время рабочего хода происходит перемещение пуансона за счет сжатия пружины.

При включении автомата, пуансон перемещается в направлении подачи заготовки, и воздействует на нее. Деформирование заготовки осуществляется высадочным стержнем, связанным жестко со стаканом.

До начала деформирования (высадки), пуансон под действием пружины накрывает заготовку, выступающую из матрицы; во время деформации - сдерживает заготовку от продольного изгиба.

Деформирование материала заготовки производится высадочным стержнем, который при поступательном движении (совместно с ползуном автомата) вытесняет металл заготовки из отверстия пуансона. При этом подпружиненный пуансон несколько отодвигается от матрицы. За счет этого между неподвижной матрицей и пуансоном формируется полость, заполняемая деформируемым материалом. Это приводит к образованию утолщения металла на стержневой заготовке.

Таким образом, во время рабочего хода ползуна автомата, очаг деформации смещается вдоль оси заготовки от ее центральной части к торцу. По данным, представленным в статье, установлено, что конструкция прототипа обеспечивает получение изделий типа «стержень с утолщением» из проволоки диаметром 3,4 мм и соотношением L/D=7,35.

Недостатками инструмента, описанного в статье, являются:

1) низкая стойкость инструмента (пуансона);

2) отсутствие возможности непосредственного управления течением материала во время его деформирования;

3) невозможность получения в очаге деформации комбинированного течения материала за счет высадки и поперечного выдавливания;

4) невозможность применения конструкции инструмента для получения изделий типа «стержень с утолщением», имеющих один из габаритных размеров менее 1 мм, т.е. методом микроштамповки.

Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в повышении эффективности операций объемной штамповки изделий типа «стержень с утолщением», а именно: за счет совмещения в одном штампе высадки и радиального выдавливания за один рабочий ход кузнечно-прессовой машины, в частности, применительно к операциям микроштамповки.

Сущность полезной модели заключается в том, что штамп для изготовления стержневых изделий с утолщением, содержащий жесткое основание, на которое установлены неподвижные контейнер и выталкиватель, матрицу перемещающуюся вдоль оси контейнера, подпружиненный пуансон, воздействующий на заготовку, установленную в матрице, отличается от аналогов и прототипа тем, что неподвижный контейнер выполнен с рабочим пространством, обеспечивающим деформирование заготовок с исходным диаметром от 0,5 мм до 50 мм, и, расположенным между жестким основанием и плавающей матрицей, которая удерживается в исходном (верхнем) положении, размещенным в рабочем пространстве контейнера упругим элементом, а именно: либо сжатым воздухом, либо гидравлической жидкостью, либо пружиной сжатия и создающим силу противодавления, позволяющей получать изделия типа «стержень с утолщением» за один рабочий ход кузнечно-прессовой машины с отношением длины высаживаемой части заготовки к ее диаметру L_B/D=5 и более, за счет совмещения в одном штампе высадки и радиального выдавливания, причем, регулировка значения силы противодавления осуществляется за счет подключенной к штампу, системы управления с контрольно-измерительной аппаратурой, а сжатый воздух, либо гидравлическая жидкость подаются в рабочее пространство контейнера через фитинг и систему каналов, выполненных в жестком основании.

Причем, упругий элемент, располагающийся под матрицей, обеспечивает получение при деформировании стержневых заготовок «бегущего» очага деформации. «Бегущий» очаг деформации имеет переменные размеры, зависящие от текущего положения матрицы. Текущее положение матрицы определяется значением давления деформируемого материала на формообразующей поверхности штампа и значением силы противодавления со стороны упругого элемента.

Кроме того, отличие состоит в том, что сила противодавления, прикладываемая к плавающей матрице, регулируется как перед началом, так и в процессе деформирования заготовки, за счет, регулятора давления, установленного на входной магистрали, ведущей к штампу, на давление соответствующее весу матрицы, с учетом потерь воздуха через зазоры между выталкивателем и матрицей, а также между матрицей и неподвижным контейнером.

Другое отличие состоит в том, что пружина сжатия, используемая в качестве упругого элемента, установленная в рабочем пространстве контейнера между жестким основанием и плавающей матрицей охватывает неподвижный выталкиватель. А, в случае несовпадения осей пружины сжатия и контейнера, то применяются пружины сжатия, установленные в рабочем пространстве контейнера между жестким основанием и плавающей матрицей и расположенные концентрично относительно оси выталкивателя.

Еще одно отличие состоит в том, что для предотвращения утечек сжатого воздуха, либо гидравлической жидкости через зазоры между выталкивателем и матрицей, а также между матрицей и контейнером, в конструкции штампа установлены уплотнительные элементы.

И последнее отличие состоит в том, что в контейнер могут быть встроены нагревательные элементы, обеспечивающие деформирование заготовки при температурах полугорячей, т.е. (0,55÷0,7)Т_пл , либо горячей штамповки, т.е. (0,7÷0,85)Т_пл,

где: Т_пл - температура плавления материала заготовки.

Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в повышении универсальности конструкции устройств (штампов) для изготовления изделий типа «стержень с утолщением».

Дополнительными техническими результатами являются повышение производительности технологических процессов изготовления изделий типа «стержень с утолщением», включая изделия с диаметром стержня менее 1 мм, повышение стойкости инструмента, а также возможность деформирования заготовки при комнатной температуре либо температуре не превышающей 0,55×Т_пл, где: Т_пл - температура плавления материала заготовки, и возможностью применения штампа для выполнения операций микроштамповки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в штампе, содержащем верхний подвижный пуансон, неподвижный контейнер, установленный на неподвижном основании и охватывающий подвижную матрицу, имеется упругий элемент в виде: либо пружины сжатия, либо сжатого воздуха, либо гидравлической жидкости. В случае применения сжатого воздуха, либо гидравлической жидкости в неподвижном основании выполняются каналы для подачи сжатого воздуха либо жидкости в рабочее пространство между матрицей и основанием. Давление сжатого воздуха может быть постоянным либо переменным.

Повышение производительности достигается за счет реализации в штампе комбинированного процесса обработки материалов давлением - высадки и поперечного выдавливания. Это позволяет достичь сокращения операций, выполняемых при реализации технологического процесса, а также применить штамп для процессов микроштамповки.

Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображено:

на фиг.1 - представлен в разрезе предлагаемый штамп в исходном положении, где упругий элемент - сжатый воздух (вариант А);

на фиг.2 - представлен в разрезе предлагаемый штамп в исходном положении:, где упругий элемент - гидравлическая жидкость (вариант Б);

на фиг.3 - представлен в разрезе предлагаемый штамп в исходном положении, где упругий элемент - пружина сжатия, охватывающая неподвижный выталкиватель (вариант В);

на фиг.4 - диаграмма нагружения пружины;

на фиг.5 - принципиальная схема управления штампом: упругий элемент - сжатый воздух;

на фиг.6 - принципиальная схема управления штампом: упругий элемент - гидравлическая жидкость;

на фиг.7 - расположение и профиль уплотнительных элементов.

Штамп состоит из неподвижного контейнера 1, опирающегося на жесткое основание 3, внутри контейнера 1 размещена подвижная (плавающая) матрица 2, которая перемещается вдоль оси контейнера 1 и удержание матрицы 2 в верхнем (исходном) положении осуществляется за счет упругого элемента 4, расположенного между жестким основанием 3 и матрицей 2, при этом в матрице 2 установлен пуансон 5, воздействующий на заготовку 7, расположенную на неподвижном выталкивателе 6, который опирается на жесткое основание 3

В жестком основании 3 выполнена система каналов, заканчивающаяся фитингом 8, через который сжатый воздух, либо гидравлическая жидкость, используемые в качестве упругого элемента, попадают в рабочее пространство контейнера 1, расположенное между жестким основанием 3 и матрицей 2. Для предотвращения утечек сжатого воздуха, либо гидравлической жидкости из рабочего пространства штампа, на матрице 2 и в жестком основании 3 предусмотрены уплотнительные элементы 9.

Уплотнительные элементы 9 могут быть выполнены:

- в соответствии с ГОСТ 6678-72 - для пневматического привода (вариант А);

- в соответствии с ГОСТ 14896-84 - для гидравлического привода (вариант Б) (см. таблицу 1).

В качестве упругого элемента 4 в штампе используется сжатый воздух (фиг.1), либо гидравлическая жидкость (фиг.2). Это обеспечивает универсальность конструкции штампа и возможность получения изделий типа «стержень с утолщением». Возможно также применение в штампе, в качестве упругого элемента 4 - пружины сжатия (фиг.3). Пружина сжатия может быть установлена так, что ее ось совпадает с осью неподвижного контейнера 1 и пружина охватывает неподвижный выталкиватель 6 (фиг.3А).

Возможно также, что ось пружины не совпадает с осью контейнера 1. Тогда в штампе могут быть установлены несколько пружин, расположенных в рабочем пространстве штампа между стенкой контейнера 1 и выталкивателем 6 (фиг.3Б). При таком расположении, пружин сжатия может быть несколько в конструкции штампа.

При проектировании штампа должны быть учтены следующие требования:

1) ход пружины должен быть достаточным для набора, требуемого по величине утолщения;

2) пружина должна срабатывать в момент касания заготовкой формообразующей поверхности подвижной вставки (матрицы) 2;

3) для удержания матрицы в исходном положении на начальной стадии процесса деформирования заготовки должно быть достаточно: либо жесткости пружины сжатия, либо давления воздуха или гидравлической жидкости.

Пружина сжатия подбирается по жесткости в зависимости от габаритных размеров получаемого изделия типа «стержень с утолщением». Однако, применение пружины снижает универсальность конструкции штампа за счет сужения номенклатуры изделий, которые могут быть получены с применением предлагаемого штампа по варианту В. Практическая реализация штампа в соответствии с вариантом А, либо вариантом Б позволяет избежать этого недостатка и эти варианты являются предпочтительными.

Отличительной особенностью исполнения штампа по варианту А, либо варианту Б является возможность регулирования силы противодавления. Деформирование может быть выполнено как с постоянной силой противодавления, так и с переменной.

В системе привода штампа (пневматический привод - фиг.5) установлен шаровой кран 10, регулятор давления 11, контрольно-измерительная аппаратура - манометры 12, обратный клапан 13, обеспечивающий односторонний подвод сжатого воздуха к жесткому основанию 3 через фитинг 8 (фиг.1) и предохранительный клапан 14.

Регулятор давления 11, установленный на входной магистрали, ведущей к штампу, должен быть отрегулирован на давление, соответствующее весу матрицы с учетом потерь воздуха через зазоры; предохранительный клапан 14, установленный в выходной магистрали, должен быть отрегулирован на избыточное давление, создаваемое под плавающей матрицей 2 во время рабочего хода пуансона 4.

В системе привода штампа (гидравлический привод - фиг.6) установлен насос 15, двухходовой клапан 16, контрольно-измерительная аппаратура - манометр 12, обратный клапан 13, обеспечивающий односторонний подвод гидравлической жидкости к жесткому основанию 3 через фитинг 8 (фиг.1) и предохранительный клапан 14.

Отличительной особенностью штампа по варианту В, является то, что сила противодавления определяется жесткостью пружины сжатия. Жесткость пружины сжатия изменяется по линейному закону в зависимости от рабочего хода пружины (фиг.4):

- в исходном положении пружина находится под действием номинальной нагрузки (положение А - значение силы F₁ ), обусловленной весом подвижной матрицы 2;

- рабочее значение силы сжатия пружины соответствует (положение В - значение силы F₂);

- максимальный рабочий ход пружины соответствует максимальному значению F ₃ обусловленному соприкосновением витков пружины сжатия (положение С - значение силы F₃).

Эта особенность работы упругого элемента, в виде пружины, ограничивает максимальное значение отношения L_B/D, которое возможно получить с применением штампа заявляемой конструкции. Помимо этого, максимальное значение L_В/D ограничивается размерами рабочего пространства кузнечно-прессового оборудования и габаритными размерами штампа.

Вне зависимости от варианта исполнения штампа, начальная сила противодавления, прикладываемая к матрице 2, должна соответствовать ее весу. В противном случае, матрицу 2 невозможно будет зафиксировать в исходном положении (фиг.1, 2, 3).

Исполнение штампа в соответствии с вариантом А, либо вариантом Б - обеспечивает изготовление изделий типа «стержень с утолщением» за один рабочий ход кузнечно-прессового оборудования с отношением L_В/D=8 и более. Максимальное значение L_B/D ограничено размерами рабочего пространства кузнечно-прессового оборудования и габаритными размерами штампа.

Исполнение штампа в соответствии с вариантом В - обеспечивает изготовление изделий типа «стержень с утолщением» за один рабочий ход кузнечно-прессового оборудования с отношением L_B/D=8÷10. Максимальное значение L_B /D ограничено габаритными размерами получаемого изделия - диаметром утолщения D, размерами рабочего пространства кузнечно-прессового оборудования и габаритными размерами штампа. В ряде случаев для больших значений D является невозможным подобрать либо изготовить пружину сжатия с требуемой жесткостью.

При изготовлении изделий типа «стержень с утолщением» методом микроштамповки, конструкция штампа принимается в соответствии с любым из представленных выше вариантов.

Стойкость пуансона 5 в штампе предлагаемой конструкции оказывается выше в сравнении с прототипом, что связано с изменением конструкции пуансона. В штампе предлагаемой конструкции, пуансон 5 является жестким, а матрица 2 - плавающей. Наличие плавающей матрицы 2 позволяет скомпенсировать контактное давление на пуансоне 5 в случае, если оно превышает допустимое контактное давлением, а именно 2,5 ГПа.

Штамп работает следующим образом.

Исходная заготовка 7 устанавливается в плавающую матрицу 2. При ходе ползуна, либо траверсы пресса вниз осуществляется деформирование установленной заготовки 7 пуансоном 5. Процесс деформирования может быть условно разбит на два этапа:

Первый этап начинается от момента касания пуансоном 5 торца заготовки 7 и до начала смещения плавающей матрицы 2 вниз. Формоизменение деформируемой части стержневой заготовки 7 происходит за счет ее высадки. В течение первого этапа неподвижный контейнер 1, плавающая матрица 2 и выталкиватель 6 остаются неподвижными. Неподвижность плавающей матрицы 2 обусловлена тем, что контактное давление, создаваемое деформируемым материалом стержневой заготовки 7 на формообразующей поверхности матрицы 2, не превышает значения установленной силы противодавления.

Второй этап начинается от момента начала смещения матрицы 2 вниз и продолжается до тех пор, пока весь металл из стержневой части заготовки 7 не перетечет в формируемое утолщение, либо не будет получено утолщение требуемой формы и размеров. Течение деформируемого материала на втором этапе обусловлено поперечным выдавливанием. Смещение матрицы 2 обусловлено тем, что контактное давление на формообразующей поверхности матрицы 2 превышает значение установленной силы противодавления.

На втором этапе деформирования происходит вовлечение в процесс деформирования новых, ранее недеформированных участков заготовки 7. Вследствие этого очаг деформации концентрируется под ранее сформированным утолщением и принимает форму усеченного конуса. По мере смещения матрицы 2, протяженность очага деформации увеличивается. Второй этап завершается формированием утолщения; форма и размеры утолщения определяются геометрией матрицы.

Эффективность заявляемого решения может быть проиллюстрирована нижеследующим примером.

Образец (после излечения из штампа) Параметр
1	Диаметр исходной заготовки D0, мм	20,0	20,0
2	Длина исходной заготовки L0, мм	129,6	129,6
3	Длина высаживаемой части исходной заготовки LВ, мм	26,0	26,0
4	LВ/D 0 (начальное)	1,3	1,3
5	L/D0 (конечное)	4,09	5,29
6	Ход пуансона, мм	53,9	70
7	Ход матрицы, мм	55,8	79,8
8	Высота головки (Н), мм	20	27,6

Проведенные и представленные выше результаты испытаний с применением разработанного штампа показывают, что отношением L_B/D=5 может быть получено в случае применения сжатого воздуха в качестве упругого элемента. Применение пружины не позволило получить отношение L_B /D=5 и более, что объясняется ограниченными размерами рабочего пространства экспериментального инструмента (штампа).

Таким образом, предлагаемая конструкция штампа позволит повысить универсальность конструкции устройств (штампов) для изготовления изделий типа «стержень с утолщением», производительность процесса изготовления подобных изделий, стойкость инструмента, а также обеспечит возможность деформирования заготовки при комнатной температуре либо температуре не превышающей 0,55×Т_пл ,

где: Т_пл - температура плавления материала заготовки, и возможность его применения для выполнения операций микроштамповки.

1. Штамп для изготовления стержневых изделий с утолщением, содержащий жесткое основание, на которое установлены неподвижные контейнер и выталкиватель, плавающую матрицу, состоящую из двух полуматриц и перемещающуюся вдоль оси контейнера, подпружиненный пуансон, воздействующий на заготовку, установленную в плавающей матрице, отличающийся тем, что в неподвижном контейнере, выполненном с рабочим пространством, расположенным между жестким основанием и плавающей матрицей, обеспечивается деформирование заготовок с исходным диаметром 0,5-50 мм, при этом матрица удерживается в исходном положении посредством размещенного в рабочем пространстве контейнера упругого элемента, выполненного в виде пружины сжатия или представляющего собой сжатый воздух или гидравлическую жидкость, создающего силу противодавления, позволяющую получать изделия типа «стержень с утолщением» путем совмещения в штампе за один рабочий ход кузнечно-прессовой машины высадки и радиального выдавливания с отношением длины высаживаемой части заготовки к ее диаметру L_B/D5, причем для подачи в рабочее пространство контейнера сжатого воздуха или гидравлической жидкости штамп имеет систему каналов, заканчивающихся фитингом, а для регулирования силы противодавления штамп соединен с системой управления с контрольно-измерительной аппаратурой.

2. Штамп по п.1, отличающийся тем, что пружина сжатия охватывает неподвижный выталкиватель.

3. Штамп по п.1, отличающийся тем, что при несовпадении осей пружины сжатия и контейнера пружина сжатия расположена концентрично относительно оси выталкивателя.

4. Штамп по п.1, отличающийся тем, что для регулирования силы противодавления, прикладываемой к плавающей матрице перед началом и в процессе деформирования заготовки, штамп снабжен регулятором давления, рассчитанным на давление, соответствующее весу матрицы с учетом потерь воздуха через зазоры между выталкивателем и матрицей, а также на давление между матрицей и неподвижным контейнером.

5. Штамп по п.1, отличающийся тем, что для предотвращения утечек сжатого воздуха либо гидравлической жидкости через зазоры между выталкивателем и матрицей, а также между матрицей и контейнером, в штампе установлены уплотнительные элементы.

6. Штамп по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения деформирования заготовки при температурах полугорячей (0,55-0,7)Т _пл либо горячей штамповки (0,7÷0,85)Т_пл , где Т_пл - температура плавления материала заготовки, в контейнер встроены нагревательные элементы.