Устройство для торцовой раскатки спеченных осесимметричных изделий

Авторы патента:

Кузнецов Павел Алексеевич (RU)

Гоциридзе Алексей Вахтангович (RU)

Зайцев Александр Михайлович (RU)

B21D22/16 - на оправках или формах

Полезная модель относится к области обработки материалов давлением, а именно к раскатке заготовок из малопластичных материалов, преимущественно спеченных, и может быть использована при изготовлении осесимметричных деталей конструкционного назначения в виде втулок с фланцами. Устройство содержит матрицу для установки заготовки, закрепленную на шпинделе, оправку для фиксации заготовки и раскатной валок, установленный под углом 90-180° к оси вращения заготовки. Матрица выполнена составной в виде внешней и внутренней ступенчатых коаксиально расположенных втулок, установленных с возможностью осевого перемещения относительно шпинделя и друг друга и с осевым зазором между внутренней ступенью внешней втулки и внешней ступенью внутренней втулки, при этом обе втулки подпружинены со стороны шпинделя. Раскатной валок выполнен с возможностью передачи осевого перемещения внешней втулке матрицы. Полезная модель позволяет получать изделия повышенного качества из малопластичных материалов, в частности, спеченных металлических порошковых заготовок за счет выравнивания плотности их втулочной и фланцевой частей для предотвращения образования трещин.

Полезная модель относится к области ротационной обработки металлов давлением, а именно к устройствам для торцовой раскатки и может быть использовано для получения изделий в виде втулок с фланцами из спеченных порошковых заготовок.

Известно устройство для холодной торцовой раскатки осесимметричных изделий (Ковка и штамповка: Справочник. В 4-х т. / Е.И. Семенов и др. - М: Машиностроение, 1987 - т. 3. Холодная объемная штамповка / Под ред. Г.А. Навроцкого. 1987, стр. 352, рис. 23). Устройство содержит матрицу для установки заготовки, помещаемую в обойму, имеющую возможность вращения, оправку для фиксации заготовки, выталкиватель и формообразующий валок, ось которого расположена под углом к оси обоймы.

В процессе раскатки в известном устройстве плотность втулочной части остается практически без изменений, что приводит к значительной разнице в плотностях втулочной и раскатанной фланцевой частях изделия. Получаемая неравномерная плотность изделия провоцирует возможность образования трещин в переходе от фланца к втулочной части.

Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является установка для холодной торцовой раскатки (Авторское свидетельство СССР 1222376, МПК B21H 1/06, опубликовано 07.04.86, Бюллетень 13), содержащее матрицу установленную на одном шпинделе, оправку для фиксации заготовки, подпружиненную со стороны шпинделя, раскатной валок, установленный с возможностью вращения на другом шпинделе под углом 90-180° к оси вращения матрицы, выталкиватель, установленный между матрицей и оправкой с возможностью регулировочного осевого перемещения относительно оси вращения матрицы. Оправка установлена с возможностью осевого перемещения в процессе раскатки и выпрессовки заготовки, а раскатной валок - с возможностью перемещения как вдоль, так и радиально относительно оси вращения матрицы и постоянного контакта с торцом оправки в процессе раскатки.

Недостаток известной установки заключается в том, что при торцовой раскатке изделий в виде втулок с фланцами из спеченных заготовок в виде гладких втулок осуществляется деформация и уплотнение лишь той части втулки, из которой формируется фланец. Остальная часть заготовки, находящаяся в матрице, не деформируется, а, следовательно, не уплотняется, что приводит к значительной разнице в плотностях втулочной и фланцевой частях готового изделия и провоцирует возможность образования трещин в переходе от фланца к втулочной части в изделиях из спеченных малопластичных материалов.

Задачей полезной модели является создание устройства для торцовой раскатки спеченных осесимметричных изделий в виде втулок с фланцами, обеспечивающее повышение качества изделий за счет выравнивания плотности их втулочной и фланцевой частей для предотвращения образования трещин.

Поставленная задача решается следующим образом.

Устройство для торцовой раскатки спеченных осесимметричных изделий с фланцем содержит матрицу, расположенную на шпинделе, оправку для фиксации заготовки, установленную с возможностью осевого перемещения в процессе раскатки и выпрессовки заготовки, выталкиватель, размещенный между матрицей и оправкой, и раскатной валок, установленный под углом 90-180° к оси вращения матрицы с возможностью вращения и перемещения вдоль этой оси. Матрица выполнена составной в виде внешней и внутренней ступенчатых коаксиально расположенных втулок, причем внешняя втулка выполнена с внутренней ступенью, а внутренняя втулка - с внешней ступенью, а высота внешней втулки больше высоты внутренней втулки на толщину фланца изделия. Втулки установлены с осевым зазором между внутренней ступенью внешней втулки и внешней ступенью внутренней втулки и с возможностью осевого перемещения относительно друг друга и шпинделя. При этом втулки подпружинены со стороны шпинделя. Раскатной валок выполнен с возможностью передачи осевого перемещения внешней втулке матрицы. Диаметр внутренней втулки преимущественно соответствует диаметру фланца изделия.

В частном случае реализации для обеспечения равномерной плотности изделия внутреннюю втулку подпружинивают на величину рабочего хода, определяемую по формуле:

где H_р.х. - величина рабочего хода внутренней втулки;

H_изд. - высота втулочной части изделия;

_изд. - плотность изделия;

_заг. - плотность заготовки;

D_изд. - наружный диаметр втулочной части изделия;

d_изд. - внутренний диаметр втулочной части изделия;

D_заг. - наружный диаметр заготовки;

d_заг. - внутренний диаметр заготовки.

Выполнение матрицы составной в виде коаксиально расположенных наружной втулки с внутренней ступенью и внутренней втулки с внешней ступенью, установленных с возможностью осевого перемещения относительно шпинделя и друг друга и с осевым зазором между ступенями, позволяет выровнять плотности втулочной и фланцевой частей изделия.

Для обеспечения уплотнения втулочной части изделия внутреннюю втулку подпружинивают со стороны шпинделя на заданный рабочий ход, определяемый по формуле (1), а наружную втулку - на суммарную величину рабочего хода внутренней втулки и осевого зазора, определяемого исходя из заданной плотности фланца изделия. При этом при раскатке после формирования и уплотнения фланцевой части изделия происходит уплотнение втулочной части на величину заданного рабочего хода внутренней втулки без дополнительного уплотнения фланца. Для этого раскатной валок выполняют с возможностью передачи осевого перемещения внешней втулке матрицы в процессе уплотнения фланцевой и втулочной частей изделия, а высота внешней втулки больше высоты внутренней втулки на толщину фланца изделия.

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом.

Фиг. 1 и Фиг. 2 - принципиальные схемы устройства для торцовой раскатки спеченных осесимметричных изделий до и после раскатки соответственно, где: 1 - шпиндель, 2 - оправка, 3 - заготовка, 4 - выталкиватель, 5 - раскатной валок, 6 - внешняя втулка матрицы, 7 - внутренняя втулка матрицы.

Устройство для торцовой раскатки спеченных осесимметричных изделий с фланцем содержит матрицу, расположенную на шпинделе 1, оправку 2 для фиксации заготовки 3, подпружиненную со стороны шпинделя 1 и установленную с возможностью осевого перемещения в процессе раскатки и выпрессовки заготовки 3, выталкиватель 4, размещенный между матрицей и оправкой 2, и раскатной валок 5, установленный с возможностью вращения на другом шпинделе (на фиг. не показан) под углом 90-180° к оси вращения матрицы с возможностью перемещения вдоль этой оси. Матрица выполнена составной в виде коаксиально расположенных внешней втулки 6 и внутренней втулки 7. Втулки выполнены ступенчатыми, причем внешняя втулка 6 выполнена с внутренней ступенью, а внутренняя втулка 7 выполнена с внешней ступенью. Диаметр внутренней втулки 7 равен заданному диаметру фланца раскатываемого изделия. Высота внешней втулки 6 больше высоты внутренней втулки 7 на заданную толщину фланца изделия. Втулки установлены с осевым зазором между внутренней ступенью внешней втулки 6 и внешней ступенью внутренней втулки 7 и с возможностью осевого перемещения относительно друг друга и шпинделя 1. Осевой зазор между ступенями втулок 6 и 7 установлен исходя из заданной плотности фланца раскатываемого изделия. Внутренняя втулка 7 подпружинена со стороны шпинделя 1 на величину рабочего хода, определяемого по формуле (1), а внешняя втулка 6 - на величину, равную сумме величин рабочего хода и осевого зазора. Раскатной валок 5 выполнен с возможностью передачи осевого перемещения внешней втулке 6 матрицы. Для этого, например, раскатной валок 5 может быть выполнен с диаметром, превышающим диаметр внутренней втулки 7 матрицы.

Устройство работает следующим образом. Предварительно рассчитывают величину рабочего хода по формуле (1). Внутреннюю втулку 7 соосно вставляют в шпиндель 1, подпружинивая так, чтобы зазор между ее торцом и основанием шпинделя 1 был равен ее рабочему ходу. Внешнюю втулку вставляют между шпинделем 1 и внутренней втулкой 7, подпружинивая так, чтобы зазор между ее торцом и основанием шпинделя 1 был равен сумме величин рабочего хода внутренней втулки 7 и осевого зазора. Затем во внутреннюю втулку 7, на оправку 2 устанавливают спеченную порошковую заготовку 3, выставляя часть ее для формирования фланца. К ее торцу подводят раскатной валок 5 (фиг. 1). Шпиндель 1 с составной матрицей приводят во вращение и осуществляют осевую подачу раскатного валка 5. Проводят процесс ротационной высадки части заготовки 3, расположенной вне матрицы, и формообразование из нее фланца. По мере формирования фланца раскатной валок 5 смещают в осевом направлении в сторону шпинделя 1 до соприкосновения валка 5 с торцом внешней втулки 6. При дальнейшем смещении валка 5 в осевом направлении осуществляется передача осевого перемещения внешней втулке 6 матрицы, при этом происходит уплотнение и придание окончательной формы фланцу вплоть до момента соприкосновения ступеней втулок 6, 7. Далее валок 5 передает осевое перемещение обеим втулкам 6 и 7 до момента их упора в шпиндель 1. При этом уплотняется втулочная часть заготовки 3, расположенной в матрице, за счет уменьшения ее исходной длины в замкнутом объеме, ограниченном выталкивателем 4, раскатным валком 5, оправкой 2 и втулкой 7 (фиг. 2). При этом не происходит уплотнения фланцевой части заготовки 3, так как диаметр внутренней втулки 7 соответствует диаметру фланца изделия, а высота внешней втулки 6 больше высоты внутренней втулки 7 на толщину фланца изделия. Величина уплотнения втулочной части изделия напрямую зависит от величины хода внутренней втулки 7 - H_р.х., рассчитанной по формуле (1), то есть, от величины зазора между внутренней втулкой 7 и шпинделем 1, задаваемым подпружиниванием втулки 7.

После окончания процесса раскатки и уплотнения раскатной валок 5 возвращают в исходное положение, готовое изделие при помощи выталкивателя 4 выпрессовывают из внутренней втулки 6.

Пример 1. Апробирование предлагаемого устройства осуществляли при раскатке изделия в виде втулки с фланцем со следующими параметрами:

D_изд.=50 мм, наружный диаметр втулочной части изделия,

d_изд.=45 мм, внутренний диаметр изделия,

H_изд.=45 мм, высота втулочной части изделия,

D_ф.=70 мм, диаметр фланца изделия,

h_ф.=5 мм, толщина фланца изделия,

_изд.=0.95, средняя относительная плотность изделия.

Для получения изделия использовали спеченную заготовку в виде гладкой втулки из порошка на основе железа марки ПЖ4М2 ГОСТ 9849-74 со следующими параметрами:

D_заг.=50 мм, наружный диаметр заготовки,

d_заг.=45 мм, внутренний диаметр заготовки,

H_заг.=70 мм, высота заготовки,

_заг.=0.85, плотность заготовки.

Чтобы обеспечить плотность втулочной части изделия, близкой к плотности фланца, необходимо уменьшить ее исходную длину на величину, которая рассчитывается по предлагаемой формуле 1. Для используемой заготовки величина составила:

Использовали составную матрицу в виде коаксиально расположенных наружной и внутренней втулок. Высота внешней втулки больше высоты внутренней втулки на 5 мм, т.е. на толщину фланца изделия h_ф. Внутреннюю втулку выставляли подпружиниванием на рабочий ход равный 5,3 мм. Внешнюю втулку выставляли подпружиниванием на величину равную 10,3 мм. Величина осевого зазора 5 мм подобрана опытным путем так, что достигается заданная плотность фланца 0.95. Заготовку располагали в матрице до контакта с выталкивателем, при этом выставленная часть заготовки составила 20 мм. Далее производили раскатку.

В результате раскатки в предлагаемом устройстве были получены изделия с фланцами. Средняя плотность фланца составила 0.95, средняя плотность втулочной части 0.94, что подтверждает эффективность работы устройства для торцовой раскатки спеченных осесимметричных изделий.

Если величина рабочего хода будет меньше рассчитанного, то, соответственно, плотность втулочной части будет ниже требуемой, что может привести к трещинам и разлому на стыке фланца с втулочной частью изделия. Если же величина рабочего хода будет больше, то теоретически вероятность получить плотность втулочной части изделия выше заданной возможна, но возникающие силы трения значительно увеличат усилие раскатки, а остаточная пористость в материале не позволит получить компактный материал с плотностью 1. Следовательно, рост величины рабочего хода не приведет к пропорциональному росту плотности.

Пример 2. Заготовка как в примере 1, величина рабочего хода - 4 мм, условия аналогичны. В результате получилось изделие с плотностью 0,925.

Пример 3. Заготовка как в примере 1, величина рабочего хода - 7 мм, условия аналогичны. В процессе раскатки произошла перепрессовка изделия, что привело к образованию трещин во втулочной части.

Устройство для торцовой раскатки спеченных осесимметричных изделий в виде втулок с фланцами обеспечивает изготовление деталей повышенного качества за счет выравнивания плотности их втулочной и фланцевой частей в составной матрице, позволяющей после формирования и уплотнения фланцевой части изделия производить соответственное уплотнение втулочной его части.

1. Устройство для торцовой раскатки спеченных осесимметричных изделий с фланцем, содержащее матрицу, расположенную на шпинделе, оправку для фиксации заготовки, установленную с возможностью осевого перемещения в процессе раскатки и выпрессовки заготовки, выталкиватель, размещенный между матрицей и оправкой, и раскатной валок, установленный под углом 90-180° к оси вращения матрицы с возможностью вращения и перемещения вдоль этой оси, отличающееся тем, что матрица выполнена составной в виде коаксиально расположенных внешней втулки с внутренней ступенью и внутренней втулки с внешней ступенью, причем высота внешней втулки больше высоты внутренней втулки на толщину фланца изделия, втулки установлены с осевым зазором между внутренней ступенью внешней втулки и внешней ступенью внутренней втулки и с возможностью осевого перемещения относительно друг друга и шпинделя, при этом втулки подпружинены со стороны шпинделя, а раскатной валок выполнен с возможностью передачи осевого перемещения внешней втулке матрицы.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренняя втулка подпружинена на величину рабочего хода, определяемого по формуле:

где _р.х. - величина рабочего хода внутренней втулки;

Н_изд. - высота втулочной части изделия;