Способ формообразования тонколистовых крупногабаритных изделий и пуансон плунжерного пресса

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к изготовлению деталей штамповкой вытяжкой с применением эластичных материалов на прессах плунжерного типа, и может быть использовано в авиационной, автомобильной и других отраслях машиностроения. Сущность изобретения: способ формообразования тонколистных крупногабаритных изделий состоит из двух стадий. На первой стадии штамповка осуществляется с помощью эластичного пуансона на 1/3 от заданной глубины. Затем верхнюю плиту гидропресса с эластичным пуансоном приподнимают для осмотра правильности начала формообразования и создания воздушной подушки над заготовкой. Далее осуществляют вторую стадию процесса штамповки. Верхнюю плиту гидропресса с эластичным пуансоном опускают с рабочим усилием. Перед подъемом верхней плиты гидропресса подается сжатый воздух через отверстие в центре эластичного пуансона, в результате чего увеличивается давление в воздушной подушке и обеспечивается требуемая деформация центральной части заготовки. По результатам математического моделирования данного способа штамповки с помощью метода конечных элементов и проверки полученных результатов в ходе отработки данного способа в условиях. Диаметр d канала подвода сжатого воздуха, организованного в центре эластичного пуансона, должен удовлетворять соотношению 0,8·h·H/D ≅ d ≅ 1,5·h·H/D, где h максимальная глубина штамповки, м; H высота эластичного пуансона, м; D диаметр эластичного пуансона, м. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технологии получения штамповок из металлического листа на гидропрессах с повышенным давлением эластичной среды и может быть использовано при изготовлении тонколистовых крупногабаритных изделий, например параболических зеркал спутниковых антенн с диаметром зеркала более 1 м.

Известен способ получения пространственных тонколистовых изделий, так называемая вытяжка при помощи эластичного пуансона (эластичной среды). В данном случае эластичная среда работает в качестве пуансона и прижима. При этом матрица (формообразующая оснастка) жесткая. В качестве материала эластичного элемента в настоящий момент широкое распространение получили различные марки полиуретанов, которые значительно превосходят резину по своим физико-механическим свойствам. Прессы, осуществляющие процесс вытяжки при помощи эластичного пуансона, называют прессами плунжерного типа.

Известна конструкция плунжерного пресса с эластичным пуансоном в виде цилиндрической подушки (в свободном состоянии).

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда контейнер 1 (фиг.1,а) находится в крайнем верхнем положении, на матрицу 3 помещается металлический лист (заготовка) 4. После этого контейнер вместе с эластичным пуансоном 2 надвигается на матрицу с заготовкой. При дальнейшем движении контейнера вниз на заготовку действует распpеделенная нагрузка, развиваемая эластичным пуансоном, заключенным в замкнутый объем. При этом эластичный пуансон прикладывает к заготовке зажимное усилие и одновременно давление к свободной (без опоры) площади листа. На первых этапах в связи с сопротивлением металла деформации давление зажима заготовки возрастает. По мере увеличения давления в деформирующем эластичном пуансоне имеет место деформация листового металла. Процесс вытяжки заканчивается, когда листовая заготовка, деформируясь, принимает в итоге формообразующую поверхность матрицы (фиг.1,б). После этого контейнер с эластичной средой возвращается в исходное состояние, а отформованное изделие извлекается из матрицы.

Типовая конструкцию данного плунжерного пресса и соответствующий ему способ формообразования тонколистовых крупногабаритных изделий принят за прототип.

Описанный способ при изготовлении изделий, имеющих сферическую или параболическую поверхность, имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с обычным методом вытяжки металлическим пуансоном. Поскольку полиуретановый пуансон находится в полном контакте с листом и передает ему давление, металл подвергается воздействию напряжений растяжения, и возможность коробления сводится к минимуму. По мере развития формообразования эластичный материал будет обладать радиальным поступающим внутрь движением помимо поступающего движения вниз. Таким образом, наличие трения между эластичным пуансоном и фланцем позволит вытягивать фланцы внутрь. К достоинству данного способа можно также отнести небольшую стоимость оснастки. Однако при определенных преимуществах данный способ формования имеет существенный недостаток высокую энергоемкость процесса. Поскольку полиуретаны являются практически несжимаемыми материалами, а при штамповке в плунжерных прессах сжимающим нагрузкам подвергается большая площадь пуансона, включая область зажима заготовки, следовательно, нагрузка формообразования очень высокая. К тому же полиуретаны одной и той же рецептуры от партии к партии могут существенно различаться по показателю твердости, а это также существенно сказывается на энергоемкости процесса. В связи с вышесказанным, при формообразовании тонколистовых крупногабаритных изделий сферического или параболического профиля зачастую рабочих усилий прессов бывает недостаточно, чтобы допрессовать заготовку на максимальную глубину. В этих случаях в окрестности вершины отштампованные детали бывают практически плоскими. Отформованные оболочки имеют форму блюдца.

Цель изобретения снижение энергоемкости процесса штамповки и повышение качества формуемых тонколистовых крупногабаритных изделий.

Предлагаемый способ формообразования тонколистовых крупногабаритных изделий состоит из двух стадий и осуществляется при помощи двух сред: эластичной среды (полиуретан с твердостью более 60 ед. по Шору) и газовой среды (сжатый воздух).

На фиг.2 показана схема устройства для реализации предлагаемого способа, где 1 неподвижная нижняя плита гидропресса, 2 подвижная верхняя плита гидропресса, 3 подставка, 4 матрица, 5 контейнер, эластичный пуансон, 7 канал подвода сжатого воздуха, 8 патрубок, 9 манометр, 10 газовый кран, 11 редуктор газовый, 12 трубопровод, 13 шланг подвода сжатого воздуха от источника, 14 формуемое изделие, 15 крепление контейнера.

Способ формообразования тонколистовых крупногабаритных изделий осуществляется следующим образом.

При разгруженном редукторе 11 и закрытом кране 10 шланг 13 подсоединяют к источнику сжатого воздуха. При поднятой верхней плите 2 пресса с закрепленным контейнером 5 на матрицу 4 устанавливают плоскую листовую заготовку. Контейнер с эластичной средой опускают и прижимают с усилием ≈30% от рабочего, что примерно соответствует штамповке на 1/3 заданной глубины, т.е. осуществляют первую стадию процесса штамповки. В этом положении редуктор 11 настраивают на выходное давление 0,02 0,03 МПа (0,2 0,3 кгс/см²) по шкале манометра 9 и фиксируют нагрузочный винт редуктора. Эта настройка делается только перед началом работ и в последующем не повторяется для всей партии изделий. Верхнюю плиту гидропресса с контейнером приподнимают для осмотра правильности начала фоpмообразования и создания воздушной подушки над заготовкой. Далее осуществляют вторую стадию процесса штамповки. Верхнюю плиту гидропресса с контейнером опускают с рабочим усилием, при этом эластичный пуансон 6 (полиуретан) сжимает воздушную подушку, в каналах 7 нарастает избыточное давление выше первоначально настроенного (0,02-0,03 МПа) и редуктор 11 автоматически "запирается" (как обратный клапан), прекращая наддув. Перед подъемом верхней плиты гидропресса открывают кран 10, сжатый воздух с избыточным давлением 0,3 0,4 МПа (3-4 кгс/см²) от источника (в обход редуктора) подается в каналы 7, увеличивая давление в воздушной подушке и обеспечивая требуемую деформацию центральной части заготовки, после чего кран 10 закрывают и начинают подъем пуансона. При подъеме верхней плиты гидропресса эластичный пуансон 6, возвращаясь в исходное положение, увеличивает объем пространства над деформированной заготовкой и давление воздушной подушки пропорционально уменьшается, но остается избыточным по отношению к атмосферному, прижимая к матрице 4 изделие. При отходе пуансона от изделия воздух из подушки выходит в атмосферу, редуктор 11 вновь включается в работу, продувая каналы 7 в поднятом пуансоне 5, и создавая избыточное давление над очередной заготовкой. Применение на второй стадии твердого эластомера в сочетании с избыточным давлением воздуха на заготовку обеспечивает четкое оформление контура и отсутствие гофров на детали в процессе изготовления.

По результатам математического моделирования данного способа штамповки с помощью метода конечных элементов и проверки полученных результатов в ходе отработки данного способа в условиях серийного производства выявлено, что диаметр канала d подвода сжатого воздуха, организованного в центре эластичного пуансона (поз. 7, фиг.2) должен удовлетворять следующему соотношению 0,8 ≅ d≅ 1,5 где h максимальная глубина штамповки, м; Н высота эластичного пуансона, м; D диаметр эластичного пуансона, м.

При диаметре канала d ≅ 0,8 вследствие радиальных деформаций в эластичном пуансоне происходит сжатие канала несмотря на избыточное давление газовой среды между эластичным пуансоном и заготовкой, и из-за этого не удается осуществить вторую стадию процесса штамповки. При диаметре канала d ≥ 1,5 не удается обеспечить требуемое качество изделия в вершине сфероида (параболоида), возникают недопустимые утонения оболочки в данной зоне.

Экспериментальное подтверждение предлагаемое решение получило в процессе серийного производства параболических зеркал спутниковых антенн на машиностроительном заводе (г. Дубна) и опытном заводе энергетического машиностроения (г. Химки). При этом точность детали диаметром 2000 мм, определяемая по отклонению контура параболоида от теоретического, составляла ± 0,5 мм.

Формула изобретения

1. Способ формообразования тонколистовых крупногабаритных изделий на гидропрессах с повышенным давлением эластичной средой путем штамповки-вытяжки листовой заготовки эластичной средой в формообразующую оснастку, отличающийся тем, что штамповка-вытяжка осуществляется с дополнительным воздействием газовой среды под давлением и производится в две стадии: сначала формообразование прифланцевой зоны штамповкой-вытяжкой на 1/3 максимальной глубины штамповки с помощью эластичной и газовой среды с избыточным давлением 0,02 0,03 МПа, а затем окончательная штамповка-вытяжка эластичной средой с рабочим усилием пресса и доштамповка газовой средой с избыточным давлением 0,3 0,4 МПа.

2. Пуансон плунжерного пресса, выполненный в виде эластичной среды, установленной в контейнер, отличающийся тем, что он снабжен каналом для подачи газовой среды под давлением, диаметр d которого определяется из следующего соотношения: где h максимальная глубина штамповки, м; H высота эластичной среды, м; D диаметр эластичной среды, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2