Устройство для формообразования равнопроходных тройников

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при формообразовании тройников из тонкостенной трубной заготовки путем формовки борта на ее боковой поверхности. Устройство содержит штамп, состоящий из двух полуматриц, внутренней оправки, двух пуансонов с наклонными торцевыми поверхностями и вкладыша в виде шара, расположенного между пуансонами. Поверхность разъема полуматриц перпендикулярна вертикальной оси штампа и проходит через ось его отверстия под борт трубной заготовки. Вкладыш выполнен с двумя наклонными плоскостями и двумя параллельными торцевыми плоскостями. Наклонные плоскости проходят через полюса шара, параллельны наклонным плоскостям пуансонов и наклонены под одним углом к вертикальной оси штампа. Тангенс этого угла превышает величину коэффициента трения на поверхности контакта пуансонов и вкладыша. Передняя торцевая плоскость шара расположена со стороны отверстия в штампе под борт трубной заготовки, перпендикулярна оси этого отверстия и расположена от центра шара на расстоянии, величина которого определена в зависимости от радиуса шара и диаметра его передней торцевой плоскости. Максимальная высота уклона торцевых поверхностей пуансонов не превышает половины высоты задней торцевой плоскости шара. В результате обеспечивается снижение трудозатрат при изготовлении тройника с увеличенной высотой борта и сокращение количества штамповой оснастки. 4 ил.

 

Известно устройство для формообразования тройника из тонкостенной трубной заготовки путем формовки борта на боковой поверхности трубы. Формовка борта осуществляется с помощью эластичного элемента, который расположен внутри трубной заготовки. При сжатии этого элемента торцевыми пуансонами создается внутреннее давление, с помощью которого и осуществляется деформирование заготовки (Изготовление сложных полых деталей./Под ред. К.Н.Богоявленского, - Л.: Машиностроение, 1979, стр.54, рис.19).

Устройство имеет следующие недостатки:

1. - Низкая стойкость эластичной среды (полиуретан, резина и пр.) при ее высокой стоимости. В настоящее время стоимость полиуретана СКУ-7л на порядок превышает стоимость качественных инструментальных сталей.

2. - Невысокое качество штампованного изделия по геометрическим параметрам. Давления эластичной среды не всегда достаточно для того, чтобы отформовать борт с малыми радиусами кривизны. Высота борта ограничена утонением стенки заготовки в процессе штамповки.

Кроме этого, возникает необходимость извлекать из отштампованой детали эластичный наполнитель, прикладывая при этом значительные усилия из-за остаточных деформаций наполнителя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, которое и принято за прототип, является устройство для изготовления тройника путем отбортовки отверстия, предварительно выполненного на боковой поверхности трубы (Аверкиев Ю.А. Холодная штамповка. Изд-во "Ростовский университет". Ростов, 1984, стр.225, рис.135).

Устройство содержит в качестве деформирующего элемента жесткий шарик-вкладыш, движение которого осуществляются от пуансона с наклонной торцевой поверхностью. Благодаря этому вертикальное движение пуансона преобразуется в горизонтальное перемещение шарика-вкладыша.

Недостатком устройства является то, что оно не позволяет за один переход изготовить тройник с равнопроходным диаметром борта, имеющим цилиндрическую стенку, из-за разрыва кромки борта.

Кромка отверстия интенсивно растягивается в процессе отбортовки, получает запредельные деформации, и даже при штамповке высокопластичных материалов, таких как Х18Н10Т или ХН60ВТ, происходит разрушение заготовки.

С целью устранения разрушения заготовки процесс разбивают на стадии и вводят промежуточные отжиги для восстановления пластичности. Но многократная отбортовка приводит к чрезмерному утонению заготовки (Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. - М.: Машиностроение. 1977), излишней металлоемкости изделия и значительно увеличивает трудозатраты на изготовление тройника.

Кроме того, получить борт с глухой плоской торцевой поверхностью в этом устройстве не представляется возможным. А плоская стенка на торце борта необходима для того, чтобы, вырезав в ней отверстие меньшего диаметра, произвести последующую отбортовку и получить борт увеличенной высоты.

Задачей изобретения является снижение трудозатрат при изготовлении тройника с увеличенной высотой борта и сокращение при этом требуемого количества штамповой оснастки.

Задача решается за счет того, что в устройстве для формообразования равнопроходных тройников, которое состоит из двух полуматриц, поверхность разъема между которыми перпендикулярна вертикальной оси штампа и проходит через ось отверстия под борт, внутренней оправки, двух пуансонов с наклонными торцевыми поверхностями и вкладыша в виде шара, расположенного между пуансонами, вкладыш выполнен с двумя наклонными плоскостями и двумя параллельными торцевыми плоскостями, причем наклонные плоскости проходят через полюсы шара, параллельны наклонным плоскостям пуансонов, имеют одинаковый угол наклона к вертикальной оси штампа, тангенс которого больше величины коэффициента трения на поверхности контакта пуансонов и вкладыша, передняя торцевая плоскость шара, в виде круга, расположена со стороны отверстия в штампе под борт, перпендикулярна оси этого отверстия и расположена от центра шара на расстоянии S₁, равном

где R - радиус сферической поверхности шарового вкладыша;

d₀ - диаметр круга передней торцевой плоскости,

задняя торцевая опорная плоскость шара расположена с противоположной от центра шара стороны на расстоянии S₂, равном

где S - толщина исходной трубной заготовки;

R_m - радиус закругления рабочей поверхности матриц при переходе к отверстию под борт;

h - протяженность калибровочного пояска отверстия под борт,

при этом максимальная высота уклона торцевой поверхности пуансонов не должна превышать половины высоты задней торцевой поверхности шара, а поперечный размер внутренней оправки штампа от ее рабочей поверхности до поверхности опоры вкладыша определяется по зависимости

H=R-S-h-R_m.

Заявляемое устройство позволяет выполнить две операции, необходимые для изготовления тройника: предварительную формовку борта на боковой поверхности трубной заготовки и последующую отбортовку отверстия, изготовленного на плоской торцевой поверхности борта с целью получения борта увеличенной высоты.

Исследование патентной и научно-технической литературы показали, что подобная совокупность существенных признаков является новой и ранее не использовалась, а это в свою очередь позволяет сделать заключение о соответствии технического решения критериям "новизна" и "технический уровень".

Устройство поясняется чертежами,

где на фиг.1 показано устройство в рабочем положении на заключительной стадии процесса формовки борта с плоской торцевой передней стенкой;

на фиг.2 показано сечение А-А, расположенное на фиг.1;

на фиг.3 показано устройство при завершении процесса отбортовки отверстия, выполненного предварительно в плоской торцевой передней стенке борта после формовки;

на фиг.4 даны пояснения для определения геометрических размеров рабочих частей штампа.

Устройство состоит из внутренней оправки 1, упругих прижимов 2 и 3, пуансонов 4 и 5, расположенных внутри полуматриц, вкладыша в виде шара 6, расположенного между пуансонами, верхней полуматрицы 7 и нижней полуматрицы 8, опирающихся на упругие прижимы, а также заготовки 9.

Устройство работает следующим образом (фиг.1). В нижнюю полуматрицу 8 устанавливается заготовка 9 совместно с оправкой 1. В этот момент верхняя полуматрица 7 поднята вверх. Затем во внутреннюю полость трубной заготовки устанавливается вкладыш 6. Благодаря соответствию геометрии внутренней полости заготовки 9, оправки 1 и вкладыша 6 последний фиксируется в нижнем положении. При опускании верхней половины штампа сначала стыкуются полуматрицы 7 и 8, а потом, за счет сжатия упругих прижимов 2 и 3, происходит сближение пуансонов, пока их торцевые рабочие наклонные плоскости не соприкоснуться с наклонными плоскостями вкладыша 6. Наклонные плоскости проходят через верхний и нижний полюсы шара и имеют одинаковый угол наклона α к вертикальной оси штампа.

С этого момента начинается перемещение вкладыша в горизонтальном направлении. Перемещение это возможно, если угол наклона α соприкасающихся плоскостей пуансонов и вкладыша связан с коэффициентом трения f на соприкасающихся поверхностях известным соотношением

То есть тангенс угла наклона наклонных плоскостей вкладыша и торцевых наклонных плоскостей пуансонов к оси штампа должен быть больше величины коэффициента трения на поверхности контакта пуансонов и вкладыша.

Формовка происходит за счет утонения заготовки и изменения ее геометрии. Чтобы избежать искажения формы трубной заготовки и возможной потери устойчивости заготовки в сечении А-А, которое является наиболее деформируемым, в штампе предусмотрена оправка 1. Оправка сохраняет форму заготовки и предотвращает потерю устойчивости при формовке (см. фиг.2). По площади она охватывает половину внутренней поверхности заготовки. Поэтому наружная рабочая поверхность оправки имеет цилиндрическую поверхность, а ее внутренняя поверхность в сечении А-А совместно с осью штампа образует условную фигуру в виде равнобедренной трапеции abcd. Соответствующую форму в сечении А-А имеет и опорная поверхность вкладыша 6.

Процесс формовки заканчивается в тот момент, когда на боковой поверхности заготовки образуется плоский участок, соответствующий передней торцевой плоскости на вкладыше. По форме эта плоскость представляет собой круг. Она расположена перпендикулярно оси отверстия под борт, и на расстоянии S₁ от центра вкладыша "О". Диаметр круга передней торцевой плоскости d₀ выполнен из расчета, что он соответствует диаметру отверстия под отбортовку, которое будет выполнено впоследствии на заготовке. Тогда из треугольника "onk" находим

где S₁ - расстояние передней торцевой плоскости от центра вкладыша;

R - радиус сферической поверхности вкладыша;

d₀ - диаметр круга передней торцевой плоскости.

Такая форма рабочей поверхности вкладыша со стороны, соприкасающейся с заготовкой, позволяет ее деформировать неравномерно. Наименьшие деформации будут получать элементы заготовки, которые находятся на плоской передней торцовой поверхности вкладыша (Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. - М.: Машиностроение, 1977). Поскольку эти элементы заготовки практически не упрочняются, это условие гарантирует получение качественной поверхности при изготовлении отверстия и дает возможность при отбортовке этого отверстия получить высокий борт, имеющий цилиндрическую поверхность.

После формовки производится разделение двух половин штампа, удаление заготовки совместно с внутренней оправкой 1 и вкладышем 6. Заготовку отделяют от элементов устройства, после чего изготавливают отверстие диаметром d₀, величина которого рассчитывается из предельных возможностей штампуемого материала.

Затем производится компоновка заготовки внутренней оправкой 1, установки ее и вкладыша 6 в нижнюю половину штампа. Далее производится отбортовка (фиг.3).

Условия выполнения этой операции следующие:

во-первых, возможность перемещения вкладыша в горизонтальном направлении до полного формирования борта;

во-вторых, до момента полного формирования борта торцы пуансонов не должны соприкасаться друг с другом в своем самом ближнем положении;

в третьих, необходимо обеспечить, чтобы площади контакта вкладыша и пуансонов были достаточными, обеспечив их прочность и не подвергнув разрушению. Для этого необходимо, чтобы длина проекции наклонной торцевой плоскости пуансона на ось отверстия штампа под борт (фиг.3) была больше или равна сумме величин R+R_m+h+S,

где R - радиус сферической части вкладыша;

h - длина калибрующего пояска;

S - толщина заготовки;

R_m - радиус закругления, соединяющий образующую отверстия под борт с образующей матрицы.

Из геометрических соотношений (фиг.3) видно, что для получения борта, когда точка О переместится в точку О', необходимо выполнить соотношение

где H - толщина оправки;

R_m - радиус закругления, соединяющий образующую отверстия под борт с образующей матрицы.

Радиус выбирают в пределах (2÷3)S.

Высота калибрующего пояска находится из условия равенства длин образующей заготовки до и после деформации при отбортовке отверстия (см. фиг.3).

Длина образующей до деформации равна

где D=2(R+R_m+S),

D - диаметр, ограничивающий очаг пластической деформации.

Длина образующей после деформации составит

Приравняв (5) и (6), получим

Кроме этого, максимальная высота наклона торцевых поверхностей пуансонов должна быть меньше половины высоты задней торцевой поверхности вкладыша, чтобы не произошло преждевременного смыкания пуансонов 4 и 5.

Рассмотрим пример расчета основных размеров деталей предлагаемого устройства при получении борта равнопроходного тройника из тонкостенной трубной заготовки с диаметром условного прохода (внутренний диаметр) D=50 мм, толщиной S=1,5 мм из материала 12Х18Н10Т. Известно, что коэффициент отбортовки из плоской заготовки (отношение диаметра борта к диаметру отверстия) для такого материала составит К_om≈2 (см. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. - Л.: Машиностроение, 1979, стр.221, табл.111). Диаметр борта по внутренней поверхности равен D_б=50 мм, тогда диаметр отверстия составит d₀=25 мм. Этому диаметру должен быть равен диаметр круга передней торцевой поверхности вкладыша. По формуле (2) находим расстояние от центра вкладыша до передней торцевой поверхности. Оно равно S1=√(25²-12.5²)=21.6 мм. Высоту борта находим по формуле (7) h=(25-12.5)-(1.5+3)1.57=5.5 (мм). Рассчитываем толщину оправки по оси симметрии по формуле (4) H=25-1.5-3-5.5=15 (мм), а также величину наклонной торцевой плоскости пуансона на ось отверстия под борт П_р=25+3+5,5+1,5=35 (мм). Угол наклона принимаем α=25°.

Угол наклона торцовых поверхностей α взят из условия, что коэффициент трения на поверхности контакта пуансонов и вкладыша не превышает f≥0.3, тогда из (1) имеем α≥arctgf=17°.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить производительность при изготовлении тройника с увеличенной высотой борта и выполнить при этом все формоизменяющие операции в одной штамповой оснастке.

Устройство для формообразования равнопроходных тройников путем формовки борта на боковой поверхности трубной заготовки, содержащее штамп, состоящий из двух полуматриц, поверхность разъема которых перпендикулярна вертикальной оси штампа и проходит через ось отверстия штампа под борт трубной заготовки, внутренней оправки, двух пуансонов с наклонными торцевыми плоскостями и вкладыша в виде шара, расположенного между пуансонами, отличающееся тем, что вкладыш выполнен с двумя наклонными плоскостями и двумя параллельными торцевыми плоскостями, причем упомянутые наклонные плоскости проходят через полюса шара, параллельны наклонным плоскостям пуансонов и расположены с одинаковым углом наклона к вертикальной оси штампа, тангенс которого больше величины коэффициента трения на поверхности контакта пуансонов и вкладыша, передняя торцевая плоскость шара в виде круга расположена со стороны отверстия в штампе под борт трубной заготовки, перпендикулярна оси этого отверстия и расположена от центра шара на расстоянии S₁, равном

,

где R - радиус сферической поверхности вкладыша в виде шара;

d₀ - диаметр круга передней торцевой плоскости вкладыша, задняя торцевая плоскость шара расположена с противоположной от центра шара стороны на расстоянии S₂, равном

,

где S - толщина исходной трубной заготовки;

R_m - радиус закругления рабочей поверхности матриц при переходе к отверстию под борт трубной заготовки;

h - протяженность калибровочного пояска отверстия под борт трубной заготовки,

при этом максимальная высота уклона торцевых плоскостей пуансонов не превышает половины высоты задней торцевой плоскости шара, а поперечный размер внутренней оправки штампа от ее рабочей поверхности до поверхности опоры вкладыша определен по зависимости

H=R-S-h-R_m.