Штамп для изготовления крупногабаритных поковок типа высоких толстостенных цилиндров и стаканов

Полезная модель относится к отрасли машиностроения, в частности, к области обработки металлов давлением и может быть использована в промышленном производстве крупногабаритных стальных поковок типа толстостенных высоких стаканов, цилиндров, втулок и т.п. изделий массой более 1 т. Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении центрирования пуансона относительно матрицы с размещенной в ее полости заготовкой. Поставленная задача решается тем, что штамп для изготовления крупногабаритных поковок типа высоких толстостенных цилиндров и стаканов, включающий бандажированную водоохлаждаемую матрицу с полостью для размещения исходной заготовки, пуансон для обратного выдавливания, содержащий основную часть и съемный наконечник одноразового использования, снабжен съемной центрирующей втулкой, размещаемой в матрице штампа и обеспечивающей снижение продольного изгиба пуансона обратного выдавливания при его скользящем движении по внутреннему диаметру втулки, при этом внутренний диаметр втулки меньше диаметра наконечника, а диаметр основной части пуансона на 3-4% меньше диаметра наконечника. Наконечник одноразового использования может быть выполнен со сферическим поднутрением для размещения смазки. Нижняя часть полости матрицы выполнена конической с углом наклона образующей к плоскости большего основания конуса не более 89°, обеспечивающим снижение силы выталкивания поковки из матрицы. 1 н.п. ф-лы, 2 илл.

Полезная модель относится к отрасли машиностроения, в частности, к области обработки металлов давлением и может быть использована при промышленном производстве крупногабаритных стальных поковок типа толстостенных высоких стаканов, цилиндров, втулок и т.п. изделий массой более 1 т. При этом получаемые поковки характеризуются следующими геометрическими соотношениями

- высота поковки относится к ее внутреннему диаметру не менее чем 5:1;

- высота поковки относится к ее наружному диаметру не менее чем 3:1.

Из уровня техники известны штампы для изготовления высоких стаканов ("снарядная технология") методом горячей штамповки, используемые последовательно. В первом штампе формуют впадину, необходимую для центрирования пуансона, с помощью которого во втором штампе методом обратного выдавливания формируют поковку типа стакана, который затем в третьем штампе методом вытяжки с утонением стенки цилиндра получают поковку с необходимой толщиной стенки. Штампы описаны в книге: Машиностроение: энциклопедия / ред. совет: К.В. Фролов и др. // Технология заготовительных производств. - М: Машиностроение, 1996 III-2-736 с.

Данные технология и конструкция штампов применяются, в основном, в серийном и массовом производстве. Технология использует смену штампов, что значительно усложняет процесс штамповки и приводит к общему увеличению ее продолжительности и энергоемкости, при этом окончательная высота поковки формируется только при проходе третьего штампа. Применительно к мелкосерийному производству крупных поковок более рациональным является совмещение первых двух операций в одном штампе, с системой водоохлаждения матрицы, а также с установкой высокого центрирующего фланца (втулки) и пуансоном с наконечником (бойком) одноразового использования.

Из полезной модели 86510 известен пуансон, являющийся конструктивной единицей штампа для изготовления крупногабаритных поковок, состоящий из основной и концевой частей, при этом обеспечена возможность отделения концевой части в процессе штамповки и размещения ее в металле штампуемой поковки. Пуансон предназначен для формообразования достаточно низких поковок в штампе, устанавливаемом в прессе двойного действия, при этом его верхняя часть контактирует с нагретым металлом, что приводит к быстрому износу этой части пуансона.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является штамп, используемый при реализации способа изготовления деталей типа "стакан с фланцем" по патенту РФ на изобретение 2478017. Штамп включает матрицу, пуансонодержатель, закрепленный к верхней половине штампа, с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости, два сменных пуансона, при этом первый выполнен составным из основной и концевой частей, а второй монолитным ступенчатым. Посредством перемещения первого пуансона осуществляют обратное выдавливание исходной заготовки, при этом концевую часть пуансона оставляют в поковке. После смены пуансона производят дальнейшее формообразование поковки совместной раздачей и высадкой.

При этом, также как и в первом приведенном аналоге (полезная модель 86510), пуансон известного штампа контактирует с металлом, что приводит к быстрому износу пуансона. Кроме того, штамп, используемый при реализации описанного способа, не обеспечивает возможности центрирования пуансонов обратного выдавливания и реализует выдавливание без предварительной осадки заготовки, что неизбежно приведет к разнотолщинности стенок поковки.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является улучшение качества штампуемой поковки за счет уменьшения степени разнотолщинности стенок поковки и сокращение времени штамповки за счет обеспечения возможности изготовления крупногабаритной поковки в одном штампе.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении центрирования пуансона относительно матрицы с размещенной в ее полости заготовкой.

Поставленная задача решается тем, что штамп для изготовления крупногабаритных поковок типа высоких толстостенных цилиндров и стаканов, включающий бандажированную водоохлаждаемую матрицу с полостью для размещения исходной заготовки, пуансон для обратного выдавливания, содержащий основную часть и съемный наконечник одноразового использования, согласно техническому решению, снабжен съемной центрирующей втулкой, размещаемой в матрице штампа и обеспечивающей снижение продольного изгиба пуансона обратного выдавливания при его скользящем движении по внутреннему диаметру втулки, при этом внутренний диаметр втулки меньше диаметра наконечника, а диаметр основной части пуансона на 3-4% меньше диаметра наконечника. Наконечник одноразового использования может быть выполнен со сферическим поднутрением для размещения смазочного материала. Нижняя часть полости матрицы выполнена конической с углом наклона образующей к плоскости большего основания конуса не более 89°, обеспечивающим снижение силы выталкивания поковки из матрицы.

С горячим металлом при использовании заявляемого штампа контактирует только наконечник пуансона для обратного выдавливания, поскольку между пуансоном и стенкой поковки существует зазор величиной 1,5% от диаметра пуансона.

Изобретение поясняется схематичными чертежами, на которых изображено следующее.

На фиг. 1 представлена схема штампа во время осуществления операции обратного выдавливания поковки.

На фиг. 2 представлена поковка, размещенная в штампе и полученная в результате выполнения процесса штамповки.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - пуансон для обратного выдавливания, 2 - матрица, 3 - бандаж, 4 - заготовка, 5 - поковка, 6 - наконечник, 7 - центрирующая втулка, 8 - выталкиватель, 9 - канал системы охлаждения, 10 - первый манипулятор, 11 - основная часть пуансона.

Заявляемый штамп представляет собой разъемный инструмент для изготовления крупногабаритных поковок типа толстостенных высоких стаканов, цилиндров и втулок с соотношением высоты изделия к его внутреннему диаметру более 5, при отношении высоты изделия к его наружному диаметру более 3.

Штамп содержит матрицу 2 с полостью для размещения нагретой исходной заготовки 4. Матрица снабжена бандажом 4, в котором выполнен спиральный канал 9 системы охлаждения штампа. Матрица запрессована в бандаж с натягом до 2,5 мм. Угол запрессовки стандартный - около 1,5°. Штамп включает пуансон для обратного выдавливания 1, включающий основную часть 11 и одноразовый наконечник 6. Одноразовый наконечник (боек) 6 способствует сохранению основной части пуансона при формировании цилиндрической части поковки. Диаметр наконечника d_n2 на 3-4% больше диаметра основной части пуансона d_n3 и он (наконечник) имеет выступ с небольшим конусом (менее 4°), который входит в отверстие пуансона d_n3. Наконечник может быть выполнен со сферическим поднутрением (вогнутость на поверхности наконечника), в котором размещена смазка. Кроме того, штамп содержит центрирующую втулку 7, размещаемую в матрице в процессе центрирования пуансона для обратного выдавливания. Втулка обеспечивает снижение продольного изгиба пуансона, при этом внутренний диаметр втулки d_BH больше диаметра основной части пуансона d_n3 на 2 мм, что обеспечивает возможность ее скольжения по пуансону. Штамп также снабжен манипуляторами, используемыми для смены инструмента, размещения, установки втулки и т.д. Первый манипулятор 10 обеспечивает удержание втулки в верхнем положении в момент укрепления наконечника на пуансоне вторым манипулятором. В нижней части матрицы размещен выталкиватель 8. Втулка выполнена с уступом, предназначенным для обеспечения возможности захвата втулки манипулятором 10 при ее удалении из полости матрицы.

При помощи заявляемого штампа осуществляют изготовление крупногабаритных поковок следующим образом.

Заготовку для штамповки получают отрезкой от кованой заготовки после ее черновой механообработки и расточки впадины по верхнему торцу заготовки в виде небольшого углубления для обеспечения дополнительного ее центрирования при выдавливании. Впадину растачивают диаметром, равным диаметру наконечника пуансона для обратного выдавливания Подготовленную таким образом заготовку нагревают до температуры горячей деформации металла токами высокой частоты или любым другим способом и размещают в полости матрицы штампа.

Перед размещением заготовки в штампе пуансон (его основную часть) фиксируют в верхнем положении ползуна пресса. При этом первым манипулятором в верхнем положении также удерживают центрирующую втулку, охватывающую пуансон с зазором. В таком положении основной части пуансона и центрирующей втулки вторым манипулятором устанавливают и запрессовывают на основной части пуансона обратного выдавливания одноразовый наконечник, диаметр которого больше внутреннего диаметра втулки, а также больше диаметра основной части пуансона на 3-4%.

Для решения задачи центрирования пуансона относительно матрицы, при начале движения ползуна пресса с пуансоном вниз, первый манипулятор с опережением скорости движения пуансона опускает вниз центрирующую втулку, устанавливая ее в матрицу таким образом, что нижний торец втулки не доходит до наконечника пуансона.

Затем ведут операцию обратного выдавливания заготовки, при этом ползун совершает достаточно большой рабочий ход с высокой скоростью, в результате чего может произойти быстрый износ торцевой контактной поверхности пуансона. Одноразовый наконечник обеспечивает предотвращение такого износа, при этом при высокой температуре и высокой скорости перемещения пуансона (более 80 мм/с) он охватывается горячим металлом с большим давлением, в результате чего испытывает большую нагрузку и в конце рабочего хода ползуна пресса начинает изнашиваться.

По окончании операции обратного выдавливания пуансон и втулку поднимают вверх манипуляторами, при этом наконечник остается в донной части поковки. Сила захвата наконечника металлом штампуемой поковки больше, чем сила его запрессовки в основную часть пуансона, при этом в конце хода ползуна пресса наконечник подвергается интенсивному износу, и по окончании выдавливания, под действием сжимающих напряжений, при подъеме пуансона в верхнее положение, наконечник остается в поковке.

Завершают процесс штамповки удалением отштампованной поковки из матрицы посредством перемещения выталкивателя вверх. За счет теплопередачи от штампуемой заготовки наконечник нагревается, отпускается, и затем его удаляют при механообработке поковки. Конусная часть полости матрицы способствует снижению силы выталкивания поковки из матрицы.

При контакте поверхности наконечника с металлом заготовки смазка скапливается в поднутрении и расходуется постепенно, что также способствует менее быстрому износу деталей штампа и улучшению качества штамповки. Пример конкретного выполнения

Заявляемый штамп использован при изготовлении поковки типа высокого стакана (цилиндр с дном) диаметром 0,55 м, высотой 1,7 м с толщиной стенки 130 мм и массой около 2,5 т с соотношением высоты поковки к внутреннему ее диаметру как 6 к 1. В качестве исходной заготовки использована кованая механически обработанная заготовка диаметром 0,54 м с высотой, рассчитанной по объему поковки с учетом угара 3% при пламенном нагреве. После сбива окалины заготовку с температурой 1150°C устанавливают в матрице и ведут операцию обратного выдавливания. При этом обеспечивают скорость перемещения пуансона свыше 80 мм/сек. При окончании выдавливания ходом ползуна пресса, пуансон и втулку поднимают в крайнее верхнее положение, при этом наконечник остается в поковке. Диаметр наконечника d_n2 на 3% больше диаметра основной части пуансона обратного выдавливания d_n3. Поковка при остывании за счет теплопередачи нагревает наконечник до 850-870°, который при этом подвергают высокотемпературному отпуску со снижением твердости до НВ250 и затем удаляют при механообработке внутренней поверхности изделия. После окончания цикла обратного выдавливания, поковку удаляют ходом нижнего выталкивателя. Цикл штамповки с силой P₁ около 3000 тс занимает около 15 сек. В качестве смазочных материалов рекомендуется использовать жидкое стекло с графитом. Допускаемая разнотолщинность стенок поковки лежит в пределах припуска на механообработку внутренней поверхности цилиндрической поковки.

1. Штамп для изготовления крупногабаритных поковок типа высоких толстостенных цилиндров и стаканов, содержащий бандажированную водоохлаждаемую матрицу с полостью для размещения исходной заготовки, пуансон для обратного выдавливания, включающий основную часть и съемный наконечник одноразового использования, отличающийся тем, что он снабжен съемной центрирующей втулкой, размещенной в матрице штампа с обеспечением снижения продольного изгиба пуансона обратного выдавливания при его скользящем движении в упомянутой центрирующей втулке, внутренний диаметр которой меньше диаметра съемного наконечника, при этом диаметр основной части пуансона на 3-4% меньше диаметра съемного наконечника.

2. Штамп по п.1, отличающийся тем, что съемный наконечник выполнен со сферическим поднутрением для размещения смазки.

3. Штамп по п.1, отличающийся тем, что нижняя часть полости матрицы выполнена конической с углом наклона образующей к плоскости большего основания конуса не более 89° для снижения силы выталкивания поковки из матрицы.